Суперконденсатор. Их принцип действия. Область применения.

Супер- или ультраконденсаторы, известные также как высокоёмкие конденсаторы, накапливают энергию электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. В процессе накопления энергии в суперконденсаторе не задействованы химические реакции, хотя суперконденсатор – электрохимическое устройство. Высокоёмкие или суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться тысячи раз в силу высокой обратимости механизма накопления энергии. Суперконденсатор – электрохимический конденсатор, обладающий способностью накапливать чрезвычайно большое, по отношению к его размеру и в сравнении с традиционным конденсатором, количество энергии. Это свойство суперконденсатора представляет особый интерес для автомобильной промышленности в производстве гибридных транспортных средств, а также в производстве транспорта на аккумуляторной электротяге, где суперконденсатор используется в качестве дополнительного накопителя энергии.

Виды суперконденсаторов

Свойства суперконденсаторов

Среди свойств следует отметить:

• Самую высокую плотность емкости
• Самую низкую стоимость в расчете на 1 фараду
• Надежный, длительный срок службы
• Высокий кпд цикла (95% и выше)
• Бесперебойную эксплуатацию
• Экологическую безопасность
• Широкий диапазон рабочих температур
• Высокую удельную мощность и достаточно высокую удельную энергию
• Очень высокую скорость заряда/разряда
• Большое количество (тысячи) циклов с незначительным ухудшением параметров
• Хорошую обратимость механизма накопления энергии
• Сниженную токсичность используемых материалов
• Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС)

Суперконденсаторы, емкость которых обеспечивается их двухслойной структурой, накапливают энергию в поляризованном жидком слое толщиной всего несколько ангстрем, расположенном на границе между раствором электролита с ионной проводимостью и электродом с электронной проводимостью. По мнению специалистов в этой области, например, г-на Калерта (Dr. Kahlert), суперконденсаторами следует считать конденсаторы емкостью минимум 10 фарад. Суперконденсаторы – это преимущественно двухслойные конденсаторы; конденсаторы, изготовленные по другим технологиям, например, плёночные или керамические, суперконденсаторами не считают. Обычно, в суперконденсаторе два активных электрода, разделенные пористым непроводящим материалом, размещены между двумя металлическими токовыми коллекторами. Электролит, водный либо органический, пропитывает пористые электроды и обеспечивает возникновение носителей заряда с последующим его накоплением.

Суперконденсатор обычно используют для обеспечения импульсной или пиковой мощности в каком-либо устройстве. Суперконденсатор также используется для кратковременного снабжения устройств энергией и для поглощения энергии из области своего применения. Примером применения пиковой мощности являются линии электропередачи, примером кратковременного снабжения энергией – сотовые телефоны/бытовая электроника и радиотехника, а примером поглощения энергии – устройства регенеративного торможения в гибридных/электрических транспортных средствах.

Классический принцип работы суперконденсатора

Суперконденсаторы, также известные как EDLC (электрические двухслойные конденсаторы), содержат две металлические пластины, покрытые пористым материалом (активированный уголь) могут хранить значительное количество энергии. Они погружены в электролит из положительных и отрицательных ионов, находящихся в растворителе. Одна пластинка положительна, а другая отрицательна. Во время заряда ионы из электролита накапливаются на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием.

Кроме того, суперконденсаторы хранят энергию также в электрическом поле, которое образуется между двумя противоположно заряженными электродами, поскольку имеется электролит, в котором равномерно распределено равное количество положительных и отрицательных ионов. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя покрытия заряда (электрический двухслойный).

Во время заряда суперконденсатора ионы из электролита накапливаются не только на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием, а также сохраняются в электрическом поле. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя покрытия заряда

Область применения суперконденсаторов

Области применения суперконденсаторов можно классифицировать, основываясь на существующем и потенциальном применении. Среди развивающихся областей применения: накопительные устройства для источников возобновляемой энергии, например, солнца, ветра и океанской волны, топливных элементов; транспортные средства, например, гибридные электрические транспортные средства, устройства запуска двигателя обычных транспортных средств, работающих на бензине, локомотивы поездов и транспортные средства, работающие на водородном топливе. Суперконденсаторы также могут использоваться как накопители энергии в жилищном секторе, например, в домах с солнечными фотоэлектрическими системами, где требуются не обычные аккумуляторные батареи, а иные накопительные устройства. В ближайшем будущем многообещающими областями применения могут стать военная техника, авиакосмическая и медицинская промышленность.

Благодаря высокой удельной емкости и плотности энергии, суперконденсаторы используются как источник кратковременного электропитания в электронных устройствах. Их также очень широко используют в системах бесперебойного электропитания (UPS). Преимуществом является то, что они обеспечивают мгновенную мощность в критических областях применения. Среди развивающихся областей применения суперконденсаторов — кратковременное параллельное питание для стационарных систем бесперебойного электропитания с топливными элементами. В наибольшей степени они пригодны для использования в устройствах запуска двигателя, а также в устройствах демпфирования пиковой нагрузки.

Среди существующих областей применения — электроэнергетика с критическими нагрузками (энергосистемы общего пользования), больницы, банковские центры, вышки беспроводной связи и коммуникации аэропортов. Суперконденсаторы обеспечивают критическую нагрузку в течение нескольких секунд и даже миллисекунд. Самое широкое применение они нашли на рынке бытовой электроники в виде источника резервного питания запоминающих устройств, микропроцессоров и материнских плат. На рынке потребительской электроники суперконденсаторы во всевозрастающем количестве используются в мобильных телефонах.

Виды

Суперконденсатор – это тот же аккумулятор, но на порядок с лучшими свойствами. В первую очередь это относится к существенно более быстрому заряду и разряду. Суперконденсатор представляет элемент с двумя электродами, между ними располагается электролит. Электроды выполнены в виде пластины из определенного материала. Для улучшения электрических параметров суперконденсатора, пластины могут дополнительно покрываться пористым материалом, к примеру, активированным углем. В качестве электролита может применяться неорганическое или органическое вещество.

В целом суперконденсатор – это гибрид химической аккумуляторной батареи и обычного конденсатора:

• Главное отличие суперконденсатора от привычного конденсатора — в наличии у первого не просто диэлектрика между электродами, а двойного электрического слоя. В результате между электродами образуется очень маленькое расстояние, а его возможность накапливать электрическую энергию (электрическая емкость) получается намного выше.
• Кроме этого суперконденсатор от аккумуляторной батареи отличается скоростью накапливания, а также степенью отдачи электрического заряда. Благодаря применению двойного электрического слоя повышается площадь поверхности электродов при тех же общих габаритах. То есть в устройстве сочетаются лучшие электрические характеристики – существенная емкость аккумулятора и скорость конденсатора.

Впервые о суперконденсаторе заговорили в 1962 году. Именно тогда химик американской компании Standard Oil Company Роберт Райтмаер подал заявку на патент, где подробно расписывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, который обладал «двойным электрическим слоем». В предлагаемом варианте акцент делался на материал обкладок. У электродов должна быть различная проводимость: один электрод должен иметь электронную проводимость, а другой – ионную. В результате при заряде конденсатора происходило разделение положительных центров и электронов в электронном проводнике, а также разделение анионов и катионов в ионном проводнике.

В 1971 году лицензия досталась японской компании NEC, которая к этому времени занималась всеми направлениями электронной коммуникации. NEC удалось успешно продвинуть технологию под названием «Суперконденсатор». Затем суперконденсаторами стали заниматься и другие компании. С 2000-х годов активное развитие технологии началось во многих странах мира.

Суперконденсаторы сегодня подразделяются на:

• Двойнослойные конденсаторы (ДСК).
• Псевдоконденсаторы.
• Гибридные конденсаторы.

Двойнослойный суперконденсатор предполагает наличие двух пористых электродов, выполненных из электропроводящих материалов, а также разделенных заполненным электролитом сепаратором. Здесь процесс запасания энергии идет за счет разделения заряда на электродах с весьма большой разностью потенциалов между ними. Электрический заряд двойнослойных конденсаторов определяется непосредственно емкостью двойного электрического слоя, то есть отдельного конденсатора на поверхности каждого электрода. Между собой они соединяются последовательно посредством электролита, который является проводником с ионной проводимостью.

Псевдоконденсаторы уже ближе к перезаряжаемым аккумуляторам. В них имеются два твердых электрода. Принцип действия сочетает два механизма сохранения энергии: фарадеевские процессы, которые схожи с процессами, происходящими в батареях и аккумуляторах, а также электростатическое взаимодействие, свойственное конденсаторам с двойным электрическим слоем. Приставка «псевдо» появилась вследствие того, что емкость ДЭС зависит не только от электростатических процессов, но и быстрых фарадеевских реакций с переносом заряда.

Гибридные конденсаторы – это переходный вариант между конденсатором и аккумулятором. Слово «гибридные» обусловлено тем, что электроды в гибридных конденсаторах производятся из различных материалов, а накопление заряда осуществляется по разным механизмам. Большинством случаев в гибридных конденсаторах катодом является материал с псевдоемкостью. В результате аккумулирование заряда на катоде осуществляется вследствие окислительно-восстановительных реакций, что увеличивает удельную емкость конденсатора, а также расширяет область рабочих напряжений.

В гибридных конденсаторах часто применяют комбинацию электродов из допированных проводящих полимеров и смешанных оксидов. Весьма перспективными могут стать композиционные материалы, которые состоят из оксидов металлов, осажденных на проводящие полимеры или углеродные носители.

Принцип действия

Суперконденсаторы, как высокоемкие конденсаторы, производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. При накоплении энергии в суперконденсаторе химические реакции не задействуются, хотя суперконденсатор является электрохимическим устройством. В силу высокой обратимости механизма накопления энергии, конденсаторы способны тысячи раз заряжаться и разряжаться.

Суперконденсатор – электрохимический конденсатор, который имеет способность накапливать чрезвычайно большое количество энергии по отношению к его размеру, а также в сравнении с традиционным конденсатором. Данное свойство суперконденсатора особенно интересно в создании гибридных транспортных средств в автомобильной промышленности, в том числе в производстве машин на аккумуляторной электротяге, в которых суперконденсаторы применяются в виде дополнительного накопителя энергии.

В большинстве случаев, в суперконденсаторе действуют два активных электрода, которые разделены непроводящим материалом, размещенным между металлическими токовыми коллекторами. Органический или водный электролит пропитывает пористые электроды, обеспечивая появление носителей заряда в устройстве с последующим его накоплением.

Применения и особенности

Области применения суперконденсаторов могут быть поделены на следующие направления:

• Накопительные устройства для источников возобновляемой энергии, к примеру, топливных элементов, океанской волны, ветра и солнца.
• Транспортные средства, к примеру, устройства запуска двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, автомобили на водородном топливе, локомотивы поездов.
• Как накопители энергии в жилищном секторе, к примеру, в зданиях с солнечными фотоэлектрическими системами, в которых имеется необходимость в аккумуляторах с повышенными характеристиками.
• Благодаря высокой плотности энергии и удельной емкости, суперконденсаторы применяются в электронных устройствах в виде источника кратковременного электропитания.
• В системах бесперебойного электропитания. Достоинством является то, что они в критических областях применения обеспечивают мгновенную мощность.
• Среди развивающихся областей суперконденсаторы находят применение в системах бесперебойного электропитания с топливными элементами.
• В устройствах демпфирования пиковой нагрузки, а также запуска двигателя.
• Электроэнергетика с критическими нагрузками, коммуникации аэропортов, вышки беспроводной связи, банковские центры, больницы.
• Источник резервного питания для материнских плат, микропроцессоров и запоминающих устройств.
• Мобильные телефоны.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств суперконденсаторов можно отметить:

• Низкая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 фарад.
• Высочайшая плотность емкости.
• Высокий кпд цикла, который достигает 95% и выше.
• Длительный срок службы.
• Надежность устройства.
• Экологическая безопасность.
• Бесперебойная эксплуатация.
• Весьма высокая удельная энергия и удельная мощность.
• Широкий диапазон рабочих температур.
• Большое количество циклов практически с неизменными параметрами.
• Высокая скорость заряда и разряда.
• Сниженная токсичность применяемых материалов.
• Отличная обратимость механизма накопления энергии.
• Допустимость разряда до нуля.
• Малый вес в сравнении с электролитическими конденсаторами.

Среди недостатков суперконденсаторов можно отметить:

• Относительно малая энергетическая плотность.
• Не способность обеспечить достаточное накопление энергии.
• Весьма низкое напряжение на одну единицу элемента.
• Высокая степень саморазряда.
• Недостаточное развитие технологий.

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы — история создания и развития технологии

7 июня 1962 года, Роберт Райтмаер, химик американской компании Standard Oil Company (SOHIO), располагавшейся в городе Кливленд, штата Огайо, подал заявку на получение патента, где подробно описывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, обладающем «двойным электрическим слоем». Если в обычном конденсаторе алюминиевые обкладки, традиционно, были изолированы слоем диэлектрика, то в предлагаемом изобретателем варианте акцент делался непосредственно на материал обкладок. Электроды должны были иметь различную проводимость: один электрод должен был обладать ионной проводимостью, а другой – электронной.

Таким образом, в процессе заряда конденсатора происходило бы разделение электронов и положительных центров в электронном проводнике, и разделение катионов и анионов в ионном проводнике. Электронный проводник предлагалось сделать из пористого углерода, тогда ионным проводником мог бы быть водный раствор серной кислоты. Заряд в таком случае сохранялся бы на границе раздела этих особых проводников (тот самый двойной слой). Разность потенциалов этих первых ионисторов могла достигать значения в 1 вольт, а емкость – единиц фарад, ведь теперь расстояние между обкладками было меньше 5 нанометров.

В 1971 году лицензия была передана японской компании NEC, занимающейся к тому моменту всеми направлениями электронной коммуникации. Японцам удалось успешно продвинуть технологию на рынок электроники под названием «Суперконденсатор».

Спустя семь лет, в 1978 году, компания Panasonic, в свою очередь, выпустила «Золотой конденсатор» («Gold Cap»), так же завоевавший успех на этом рынке. Успех был обеспечен удобством применения ионисторов для питания энергозависимой памяти SRAM. Однако эти ионисторы обладали высоким внутренним сопротивлением, которое ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а значит, сильно сужала диапазон сфер применения.

Gold Cap от Panasonic

В 1982 году специалисты американского Научно-исследовательского Института Pinnacle (PRI), расположенного в городе Лос-Гатос, штат Калифорния, работая над улучшением материалов электродов и электролитов, разработали ионисторы с чрезвычайно высокой плотностью энергии, которые появились на рынке под названием «PRI Ultracapacitor».

Спустя 10 лет, в 1992 году, компания Maxwell Laboratories (позже сменившая название на Maxwell Technologies, г. Сан-Диего, штат Калифорния, США) начала развивать технологию PRI под названием «Boost Caps». Целью теперь стало создание конденсаторов высокой емкости с низким сопротивлением, чтобы получить возможность питания мощного электрооборудования.

В 1999 году тайванская компания UltraCap Technologies Corp. также начала сотрудничество с PRI, которые разработали к тому времени электродную керамику чрезвычайно большой площади, и к 2001 году на рынок вышел первый высокоемкостной ультраконденсатор производства Тайваня. С этого момента началось активное развитие технологии во многих НИИ мира.

Графеновые суперконденсаторы

Графен предлагается в качестве замены активированного угля в суперконденсаторах, частично из-за его высокой относительной площади поверхности (которая более значительна, чем у активированного угля). Площадь поверхности является одним из ограничений емкости, а более высокая площадь поверхности означает большее накопление электростатического заряда. Кроме того, суперконденсаторы на основе графена будут использовать его малый вес, упругие свойства и механическую прочность.

Суперконденсаторы на основе графена накапливают почти столько же энергии, сколько простые литий-ионные аккумуляторы, заряжаются и разряжаются за считанные секунды и поддерживают все это в течение десятков тысяч циклов зарядки. Одним из способов достижения этого является использование высокопористой формы графена с большой площадью внутренней поверхности (изготовленной путем упаковки порошка графена в ячейку в форме монеты, а затем высушивания и прессования).

Применение ионисторов

Ионисторы получили заслуженное применение в качестве источников резервного питания во множестве устройств. Начиная с питания таймеров телевизоров и СВЧ-печей, и заканчивая сложными медицинскими приборами. На платах памяти, как правило, установлены ионисторы. При смене батареи в видео или фотокамере, ионистор поддерживает питание схем памяти, отвечающих за настройки, это же касается музыкальных центров, компьютеров и другой подобной техники. Телефоны, электронные счетчики электроэнергии, охранные системы сигнализации, электронные измерительные приборы и приборы медицинского применения – везде нашли применение суперконденсаторы.

Малые ионисторы на основе органических электролитов обладают максимальным напряжением около 2,5 вольт. Для получения более высоких допустимых напряжений, ионисторы соединяют в батареи, обязательно применяя шунтирующие резисторы.

К преимуществам ионисторов относится:

• высокая скорость заряда-разряда
• устойчивость к сотням тысяч циклов перезаряда по сравнению с аккумуляторами
• малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами
• низкий уровень токсичности
• допустимость разряда до нуля

Новинка на рынке электромобилей

Когда Lamborghini начинает выпускать гибрид, вы можете быть уверены, что это будет не просто более мощная версия Toyota Prius.

Sian, дебют итальянской компании в области электрификации, является первым серийным гибридным автомобилем (целых 63 экземпляра), в котором вместо литий-ионных батарей используются суперконденсаторы.

Многие физики и инженеры считают, что именно в них, а не в литий-ионных батареях, лежит ключ к массовой электрической мобильности. Sian использует такие для хранения электричества и, при необходимости, подачи его на свой небольшой электродвигатель.

Разработки и перспективы

При разработке ионисторов все более и более повышается их удельная емкость, и по всей вероятности, рано или поздно это приведет к полной замене аккумуляторов на суперконденсаторы во многих технических сферах. Последние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионисторов на основе пористой структуры, где частицы оксида рутения нанесены на графен, превосходят лучшие аналоги почти в два раза. Исследователи обнаружили, что поры «графеновой пены» обладают наноразмерами, подходящими для удержания частиц оксидов переходных металлов. Суперконденсаторы на основе оксида рутения теперь являются самым перспективным из вариантов. Безопасно работающие на водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и повышают допустимую силу тока вдвое по сравнению с самыми лучшими из доступных на рынке ионисторов. Они запасают больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объёма, поэтому ими целесообразно будет заменить аккумуляторы. Прежде всего, речь идёт о носимой и имплантируемой электронике, но в перспективе новинка может обосноваться и на персональном электротранспорте.

На частицы никеля послойно осаживают графен, выступающий опорой для углеродных нанотрубок, которые вместе с графеном формируют пористую углеродную структуру. В полученные нанопоры последней из водного раствора проникают частицы оксида рутения диаметром менее 5 нм. Удельная ёмкость ионистора на основе полученной структуры составляет 503 фарад на грамм, что соответствует удельной мощности 128 кВт/кг.

Возможность масштабирования этой структуры уже положила начало и создала основу на пути создания идеального средства хранения энергии. Ионисторы на основе «графеновой пены» прошли успешно первые тесты, где показали способность к перезаряду более восьми тысяч раз без ухудшения характеристик.

Суперконденсаторы в перспективе

В ближайшем будущем суперконденсаторы станут применять повсеместно. Многообещающими областями для суперконденсаторов могут стать медицинская и авиакосмическая промышленность, военная техника:

• При разработке суперконденсаторов все больше повышается их удельная емкость. В результате во многих технических сферах произойдет полная замена аккумуляторов на конденсаторы.
• Произойдет интегрирование суперконденсаторов в самые разные структуры: от электроники до всевозможных настроек. Появится умная одежда с использованием этих устройств. Конденсаторы обеспечивают экологически чистый метод экономии энергии, поэтому они имеют больше возможностей для передачи и хранения энергии в сравнении с иными энергосберегающими технологиями.
• Повсеместное использование суперконденсаторов: автомобили, трамваи, автобусы, электроника, в особенности смартфоны и другая мобильная техника. Зарядка будет занимать секунды, а запасаемой энергии будет хватать надолго.

Практичный источник питания с суперконденсатором

В практических решениях широко используются суперконденсаторы, например, для питания часов реального времени.

В подобных схемах необходимо использовать диод, который защитит цепь зарядки от «обратного тока» от самого суперконденсатора. Схема может выглядеть так:

Напряжение питания V0 может поступать, например, от Ардуино. Диод D1 защищает источник питания от «смещения» тока от суперконденсатора – чтобы на выход стабилизатора V0 не поступало напряжение с конденсатора.

Однако этот диод также влияет на напряжение зарядки суперконденсатора, которое в такой схеме ниже на величину падение напряжения на диоде. В зависимости от типа диода оно может составлять 0,6..0,8В.

Катод диода через резистор подключен к суперконденсатору C1. Сопротивление резистора определяется, как и выше, учитывая постоянную времени.

Достоинства и недостатки конденсаторных изделий

Электрическое поле – это?

К числу достоинств изделий рассматриваемого класса следует отнести:

• Низкую удельную стоимость (из расчета на единицу ёмкости);
• Высокие показатели ёмкостной плотности и КПД циклов заряда-разряда (до 95% и выше);
• Надёжность, долговечность и экологическая чистота;
• Прекрасные показатели удельной мощности;
• Достаточно широкий диапазон температур, при которых возможна их эксплуатация;
• Наибольшая из всех возможных для изделий данной категории скорость заряда и разряда;
• Допустимость полной потери ёмкости (практически до нуля).

Ещё одно немаловажное преимущество СК – их сравнительно малые размеры и вес (по отношению к другим типам электролитических изделий).

Среди присущих им «минусов» хотелось бы отметить следующие недостатки:

• Относительно малая плотность накапливаемых энергий;
• Низкий показатель вольтажа, приходящегося на единицу ёмкости элемента;
• Высокий уровень неконтролируемого саморазряда.

Добавим к этому не до конца проработанную технологию производства изделий.

Достоинства суперконденсаторов

По сравнению с самыми современными батареями суперконденсаторы заряжаются и выделяют энергию намного быстрее. Кроме того, они могут выдерживать значительно больше циклов зарядки и разрядки без потери емкости.

В случае с Sian суперконденсатор приводит в действие электродвигатель мощностью 25 киловатт, который встроен в коробку передач. Он может либо обеспечить дополнительный прирост 6,5-литрового V12 ДВС мощностью 785 лошадиных сил, либо управлять спортивным автомобилем самостоятельно во время маневров на низкой скорости, например, при парковке.

Поскольку зарядка очень быстрая, этот гибрид не нужно подключать к сетевой розетке или зарядной станции. Суперконденсаторы заряжаются полностью каждый раз, когда автомобиль тормозит. Аккумуляторные гибриды также имеют рекуперацию тормозной энергии, но она медленная и лишь частично помогает продлить электрический пробег.

У суперконденсатора есть еще один очень большой козырь: вес. В Lamborghini Sian вся система — электродвигатель плюс конденсатор — прибавляет в весе всего на 34 килограмма. При этом прирост мощности составляет 33,5 лошадиных силы. Для сравнения, только батарея Renault Zoe (с 136 лошадиными силами) весит около 400 кг.

Немного теории

О суперконденсаторах нужно знать несколько вещей. Наиболее важные из них касаются зарядки, разрядки и подключения: последовательного и параллельного.

Зарядка суперконденсатора

Начнем с постоянной времени RC-цепи:

t=R*C

За время t суперконденсатор емкостью С, подключенный последовательно с резистором R, зарядится примерно до 2/3 (точнее до 63,2%) напряжения питания. За время 5t суперконденсатор зарядится до значения очень близкое к напряжению питания (99,3%).

Эти интервалы обусловлены тем, что процесс зарядки конденсатора является не линейной функцией (экспоненциальной). Для определения его параметров можно использовать следующие формулы:

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

В приведенных выше формулах:

• Q: мгновенный заряд, в момент t [Кл];
• C: емкость конденсатора [Ф];
• I: мгновенный зарядный ток [A];
• V0: напряжение зарядки [В];
• V: мгновенное напряжение на суперконденсаторе [В];
• R: сопротивление, подключенное последовательно с суперконденсатором [Ом];
• t: время [сек].

Обратите внимание, что:

1. По мере зарядки заряд на пластинах суперконденсатора растет, как и его напряжение.
2. По мере продолжения зарядки ток заряда уменьшается: от V0\R до почти нуля.
3. Время зарядки суперконденсатора зависит от его емкости C и сопротивления R.

Практический пример: зарядка суперконденсатора емкостью 1Ф через резистор сопротивлением 50 Ом от источника напряжения 5 В (зафиксированного на осциллографе):

На рисунке видно, что суперконденсатор достиг заряда 63,2% (3,16 В) примерно за 47 секунд. Это согласуется (более менее) с постоянной времени:

t = 50 Ом * 1 Ф = 50 сек

Суперконденсатор своими руками

Можно изготовить суперконденсатор своими руками. Поскольку конструкция его состоит из электролита и электродов, нужно определиться с материалом для них. Для электродов вполне подойдет медь, нержавейка или латунь. Можно взять, к примеру, пятикопеечные старые монеты. Нужен будет еще угольный порошок (в аптеке можно купить активированный уголь и измельчить его). В качестве электролита «сгодится» обычная вода, в которой растворить нужно поваренную соль (100:25). Раствор смешивается с угольным порошком, чтобы получилась консистенция замазки. Теперь ее слоем в несколько миллиметров необходимо нанести на оба электрода.

Осталось подобрать прокладку, разделяющую электроды, сквозь поры которой свободно будет проходить электролит, но задерживаться будет угольный порошок. Подойдет для этих целей стеклоткань или поролон.

Электроды – 1,5; обмазка угольно-электролитная – 2,4; прокладка – 3.

В качестве кожуха использовать можно пластмассовую коробочку, просверлив в ней предварительно отверстия для проводов, припаянных к электродам. Подсоединив провода к батарейке, ожидаем, пока зарядится конструкция «ионикс», названная так потому, что на электродах образоваться должна разная концентрация ионов. Проверить заряд проще с помощью вольтметра.

Есть и другие способы. Например, используя оловянную бумагу (станиолевую фольгу – обертку от шоколадки), куски жести и парафинированную бумагу, изготовить которую можно самостоятельно, нарезав и погрузив на пару минут в расплавленный, но не кипящий, парафин полоски папиросной бумаги. Ширина полосок должна быть пятьдесят миллиметров, а длина от двухсот до трехсот миллиметров. Вынув полоски из парафина, необходимо соскоблить тупой стороной ножа парафин.

Пропитанную парафином бумагу складывают в виде гармошки (как на рисунке). С обеих стороны в промежутки вкладываются листы станиолевые, которые соответствуют размеру 45х30 миллиметров. Подготовив, таким образом, заготовку, ее складывают, затем, проглаживают теплым утюгом. Оставшиеся станиолевые концы снаружи соединяют между собой. Можно использовать для этого картонные пластинки и латунные с жестяными обоймами, к которым позже припаиваются проводники для того, чтобы при монтаже можно было припаять конденсатор.

Емкость конденсатора зависит от количества станиолевых листочков. Она равна, например, тысяче пикофарад при использовании десяти таких листков, и двум тысячам, если их количество увеличить вдвое. Такая технология пригодна для изготовления конденсаторов емкостью до пяти тысяч пикофарад.

Если же необходима большая емкость, то необходимо иметь старый микрофарадный бумажный конденсатор, представляет собой который, рулон из ленты, состоящей из полос парафинированной бумаги, между которыми проложена полоса фольги станиолевой.

Для определения длины полос, пользуются формулой:

l = 0,014 С/а , где емкость необходимого конденсатора в пФ — С; ширина полос в см – а: длина в см – 1.

Отмотав от старого конденсатора полоски нужной длины, обрезают со всех сторон на 10 мм фольгу, чтобы между собой не дать соединиться обкладкам конденсатора.

Вновь ленту нужно свернуть, но сначала припаяв многожильные провода к каждой полоске фольги. Сверху конструкцию обклеивают плотной бумагой, а на края бумаги, которые выступают, заделывают два монтажных провода (жестких), к которым припаиваются с внутренней стороны гильзы бумажной выводы от конденсатора (см. рисунок). Последний шаг – заливка конструкции парафином.

Схема зарядки суперконденсатора

Схема зарядки суперконденсатора выглядит следующим образом:

В данном случае:

t = R * C = 10 Ом * 1 Ф = 10 сек

суперконденсатор будет заряжен до ~ 3,3В через 10 секунд — и до 5 В примерно через 5 секунд.

зарядный ток будет равен:

I = U \ R = 5 В \ 10 Ом = 0,5 A

В чем проблема? В выделяемой мощности на резисторе:

P = U \ I = U * (U \ R) = 5 В * (5 В \ 10 Ом) = 2,5 Вт

Из этого следует, что на резисторе можно выделиться до 2,5 Вт мощности. Резисторы, которые мы обычно используем, имеют не более 0,25 Вт мощности, что в десять раз меньше. Установленный в такую ​​схему резистор мощностью 0,25 Вт просто перегорит.

Выход из данной ситуации — распределение напряжения и тока следующим образом:

Конечное сопротивление такой схемы по-прежнему составляет 10 Ом:

Rz = R1 * R2 \ (R1 + R2) = (10 Ом + 10 Ом) * (10 Ом + 10 Ом) \ ((10 Ом + 10 Ом) + (10 Ом + 10 Ом)) = 400 Ом / 40 Ом = 10 Ом

В данном случае ток в обеих ветвях будет по 250 мА. Напряжение на каждом из резисторов:

Ur = I \ R = 0,25 A \ 10 Ом = 2,5 В

отсюда мощность на каждом резисторе:

P = U \ I = 2,5 В \ 0,25 A = 0,625 Вт

…таким образом, можно использовать резисторы мощностью 1 Вт.