В Киеве делают самые ёмкие в мире суперконденсаторы

Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственнен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.

Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Лучшие электролитические конденсаторы для звука

Электролитические устройства отличаются значительной емкостью, большим сроком службы. Они надежные, недорогие, могут работать на постоянных напряжениях, но не подходят для высококачественной аппаратуры, нуждающейся в детальном звучании.

Elna Silmic II

Лидером среди электролитических компонентов являются конденсаторы для усиления звука от Elna Silmic II. Это бюджетные устройства, обладающие хорошими техническими характеристиками. Применяется с целью воспроизведения музыки высокого качества.

Корпус изготовлен из алюминия, который надежно защищает внутреннюю часть от внешнего воздействия. Внутри находятся шелковое волокно и бескислородная нить, обеспечивающие достойное звучание на всех частотах без искажений. Размеры небольшие, поэтому изделие можно использовать вместе с разной техникой.

Достоинства:

• Стабильная работа на низких, средних, высоких частотах;
• Приятное естественное звучание без искажений;
• Низкая стоимость;
• Продается практически во всех магазинах электронных компонентов.

Недостатки:

• Небольшое рабочее напряжение.

Mundorf E-Cap AC Plain

Неполярный конденсатор для звука от немецкого производителя выполнен с гладкими обкладками. Использование подобной технологии значительно улучшает звуковые качества при минимальных потерях.

Но применение гладких обкладок вызывало увеличение габаритов итогового изделия, что нужно учитывать при выборе. Накопитель заряда способен стабильно работать на протяжении длительного периода.

Достоинства:

• Качественная сборка;
• Длительная работа;
• Достойные звуковые характеристики;
• Минимум потерь;
• Низкая стоимость.

Недостатки:

• Крупный размер.

Техническая реализация

Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

В чём плюсы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

• • Мгновенно. Ионистор отлично справляется с пиковым пусковым током, накапливая и отдавая энергию практически мгновенно.
• • Быстро. Заряжается не за час-другой, а за считанные секунды (поэтому, например, NASA применяет суперконденсаторы в космосе).
• • Безопасно. Накапливает заряд на твёрдых телах, когда как литиевые батареи — в процессе химических реакций (обычно жидкостных).
• • Надёжно. Коммерческие суперконденсаторы гарантируют 1 миллион циклов заряда, когда как обычные аккумуляторы — в среднем 800-1200 циклов.
• • КПД. Суперконденсаторы отдают энергию с эффективностью порядка 98%.
• • Выносливо. Устойчивость к экстремальным температурам и физическим повреждениям.

Параметры суперконденсаторов

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.

Принципиальная схема источника бесперебойного питания напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы на одной микосхеме производства LinearTechnology

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Рейтинг конденсаторов для звука

Электронные схемы состоят из многих компонентов, которые отвечают за работоспособность всей системы. К числу таких изделий относятся конденсаторы. Это прибор, состоящий из двух пластин и изоляции, который способен сохранять разный объем энергии. Конденсаторы классифицируются по многим критериям, но основным считается материал диэлектрика. Выделяют:

• Электролитические или оксидные. Это тип конденсаторов, при подключении которых важно соблюдать полярность, иначе схема не будет работать. У них имеется оксидный слой, который появляется на алюминиевом или танталовом аноде. В качестве катода используется жидкий или газообразный электролит. Используются в бюджетной музыкальной аппаратуре. Большинство изделий не подходит для аудиотехники из-за низкой прочности, но есть отдельные разработки хорошего качества.
• Пленочные. Диэлектрик может быть выполнен из полистирола, полиэтилена и прочих пленочных материалов. Имеет высокое сопротивление изоляции, обладает эффектом самовосстановления при пробое. Несмотря на емкость, которая меньше, чем у электролитических, показывают быструю работу, фильтруют питающее напряжение, выполняют разделительно-переходную функцию.
• Бумажные. Изолятор изготовлен из бумаги, которая может быть сухой либо пропитана веществами. Это один из самых качественных конденсаторов, поэтому цена у них высока. Выдают отличное звучание с наилучшими аудио характеристиками. Применяются преимущественно в премиальной аудиотехнике, требующей высокой детализации каждого звука.

Под конкретный проект конденсатор выбирается индивидуально. Возможно сочетание нескольких видом, например, электролитического и пленочного для повышения суммарной емкости. Неопытному пользователю тяжело разобраться во всех нюансах при выборе подходящего компонента, поэтому с целью облегчения задачи мы изучили основные характеристики конденсаторов, определили, где они используются, чтобы создать свой рейтинг лучших. При выборе номинантов учитывались:

• Материал диэлектрика;
• Емкостные характеристики;
• Допустимое отклонение от номинала;
• Качество звучания;
• Доступность.

Все приборы были разделены по типу используемого диэлектрика, чтобы пользователь мог выбрать изделие из нужной категории. Рейтинг разрабатывался на основе указанных паспортных данных накопителя заряда, отзывов реальных покупателей, обзоров экспертов.

Накапливаемая энергия

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:

E = CU2/2, где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

W = CU2/7200000

Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.

Как выбрать конденсатор для звука

Выбирая, какие конденсаторы лучше для звука, учитывается такой критерий как потребности пользователя. Исходя из назначения подбирается подходящий тип с нужными техническими характеристиками.

Вид

Разновидностей накопителей заряда по типу диэлектрика выделяют три: электролитические, бумажные, пленочные. Электролитические изделия из-за слабых звуковых свойств выбираются тогда, когда не важна четкая детализация, глубокое звучание. Это вариант преимущественно у бюджетной техники.

Обычно для оптимального звука применяются пленочные либо бумажные конденсаторы. При выборе пленочных стоит обратить внимание на помехи, которые могут появиться при нелинейных искажениях, вызванных определенными материалами. Такие приборы можно использовать на схемах запитывания или не особо важных электрических цепях. Пленочные могут комбинироваться с другими видами конденсаторов для того, чтобы «добрать» нужную емкость и, как следствие, улучшить характеристики.

Бумажные накопители устанавливаются на профессиональной технике, где особенно важно качественное звучание на каждой частоте. Они дорогие, могут продаваться не во всех магазинах. Не устанавливаются на серийных платах из-за дороговизны.

Емкость

Критерий показывает, на какую величину может накапливаться заряд. Емкость напрямую зависит от площади обкладок. Но при этом чем меньше слой диэлектрика, тем выше емкость. На устройствах указывается номинальная емкость, а реальная может отличаться. Отклонение также должно быть указано как погрешность.

Звуковые конденсаторы имеют положительную емкость – это значит, что чем большее напряжение приложено, тем больше будет накопленный заряд. Значение выбирается по назначению техники. Если выбрать емкость меньше заявленной, работа схемы ухудшится. Выделяют несколько диапазонов емкостей:

• От 1 пФ до 1 нФ. Применяется для подавления высокочастотных шумов на аудиоканале. Должны показывать погрешность не более 1%.
• От 1 нФ до 1 мкФ. Применяются при развязке, подавлении колебаний, сцеплении. Подходят для аудиосистем, в схемах между этапами, где есть разница уровней постоянного тока, цепях обратной связи.
• Более 1 Ф. Используется на схемах источников питания, выходных конденсаторах, фильтрации, изоляции.

Материал электродов

Токопроводящие электроды могут выполняться из разных материалов, что также оказывает влияние на звуковое извлечение. Популярны следующие виды:

• Олово. Мягкий эластичный металл, который используется для создания фольги для конденсаторов. Отличается надежностью, долговечностью, стойкостью к механическим напряжениям.
• Медь. Применяется на обкладках, показывает отличную работоспособность совместно с вощеной бумагой. Конденсаторы с медными обкладками отличаются насыщенным ярким звучанием, детализацией, правильной тональностью, натуральностью. Но по общему уровню баланса и точности уступает другим материалам.
• Алюминий. Самый популярный вариант обкладок. Отличается высокой проводимостью, малой плотностью, хорошим соотношением цена/качество. Выдает богатый детализированный живой звук.
• Серебро. Материал самой высокой степени очистки, достигающей 99,99%, считается самым ценным материалом благодаря непревзойденной способности репродукции голоса, живых инструментов. Выдает динамичный детализованный звук и широкую музыкальную палитру. Чтобы еще улучшить характеристики, может добавляться золото также со степенью очистки 99,99%.

Качество звука

Аудио характеристики будут зависеть от всех перечисленных выше параметров. Обычно для получения детализованного полного звучания нужны дорогостоящие конденсаторы.

Дополнительные параметры

Перед тем как купить аудио конденсаторы, нужно учесть также следующие факторы:

• Номинальное напряжение. Это показатель, при котором изделие стабильно проработает в течение всего заявленного срока. Указывается на корпусе. Также должны быть указаны допустимые пределы колебания параметра. Эксплуатационное значение не должно быть выше номинального.
• Полярность. Большинство аудио накопителей заряда неполярные, то есть неважно, как подключать плюс или минус. Работа будет корректной при любом виде подсоединения к цепи. Электролитические являются полярными, поэтому обязательно нужно соблюдать положение отрицательного и положительного электрода на электрической схеме. Полярность указывается на электроде. Если нарушить подключение, вследствие химических особенностей изделия и реакции электролита с диэлектриком произойдет выход прибора из строя. Изоляция разрушится, резко вырастет ток, электролит вскипит, а конденсатор взорвется.
• Возможность самовосстановления. Это функция, которой обладают бумажные и некоторые пленочные приборы. Характеризует способность самостоятельно восстановиться после электрического пробоя практически до первоначальных значений.
• Габариты. Вследствие стремления к минимизации, на схеме точно рассчитано место под каждый компонент. Размеры нужно заранее измерить, чтобы потом соотнести с выбранным накопителем заряда.

Применение суперконденсаторов

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.

Грунтовый светодиодный светильник с питанием от солнечных батарей, накопление энергии в котором осуществляется в суперконденсаторе

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Обзор гибридных конденсаторов производства Panasonic

Компания Panasonic выпускает несколько серий гибридных конденсаторов (таблица 2, рисунок 7):

• ZA – базовая серия гибридных конденсаторов с низким ESR, рейтингом напряжения ≤80 В и сроком службы до 10000 часов при 105°С;
• ZC – серия конденсаторов с низким ESR, рейтингом напряжения ≤80 В, расширенным температурным диапазоном до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
• ZE – высокотемпературная серия конденсаторов с рейтингом напряжения ≤63 В, температурным диапазоном до 145°С и сроком службы до 2000 часов при 145°С;
• ZK – серия конденсаторов повышенной емкости (до 470 мкФ) с рейтингом напряжения ≤35 В, температурным диапазоном до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
• ZKU – серия конденсаторов повышенной емкости (до 560 мкФ) с рейтингом напряжения ≤35 В, температурным диапазоном до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
• ZS – серия конденсаторов повышенной емкости (до 560 мкФ) с рейтингом напряжения ≤63 В, диапазоном рабочих температур до 125°С и сроком службы до 4000 часов при 125°С;
• ZF – высокотемпературная серия конденсаторов с рейтингом напряжения ≤63 В, емкостью до 270 мкФ, диапазоном рабочих температур до 150°С и сроком службы до 1000 часов при 150°С.

Таблица 2. Характеристики серий гибридных конденсаторов Panasonic

Рис. 7. Линейка гибридных конденсаторов Panasonic

В таблице 3 представлены характеристики наиболее популярных моделей конденсаторов разных серий.

Таблица 3 Характеристики популярных моделей гибридных конденсаторов

Говоря о преимуществах гибридных конденсаторов Panasonic, стоит отметить соответствие требованиям AEQ и наличие вибростойких исполнений. Вибростойкие конденсаторы отличаются особой конструкцией выводов и способны выдерживать вибрационные нагрузки до 30g. Очевидно, что такие модели будут востребованы в автомобильных и промышленных приложениях.

Наименование гибридных конденсаторов Panasonic содержит название серии, рейтинг напряжения, номинал емкости и форму поставки (лента), как показано на рисунке 8.

Рис. 8. Наименование гибридных конденсаторов Panasonic