ИОНИСТОРЫ

В 60-е годы двадцатого столетия Carborundum Со, Gould lonics Inc, Standard Oil (США) и ряд других иностранных фирм заявили о разработке нового класса элементов электронной техники, который в разных странах до сих пор называют по-разному. Например, ESD (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.

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

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.

Наиболее распространенные типы ионисторов отечественного производства и их основные параметры

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, что U < 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/I3, где и — 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.

Семейство характеристик, поясняющих эксплуатационные качества типовых ионисторов

Электрическую же емкость определяют путем разрядки полностью заряженного ионистора постоянным током (от номинального напряжения до нуля) с последующим расчетом по формуле: С = It/Uном, где С—емкость, Ф; I — постоянный ток разрядки, А; 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 Iут—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.

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 К58-96 есть не что иное, как батарея из двух, а К58-9в (с Uном = 6,3 В) из трех базовых элементов, соединенных последовательно.

Корпус у К58-96 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 = 0,8Uном и любой температуре в рабочем интервале гарантированная долговечность увеличивается до 5000 ч, а при U = 0,6Uном и температуре окружающей среды не более плюс 40 °С достигает 40 000 ч.

Если нужен электрошокер или другие средства защиты, по ссылке можете посмотреть и выбрать.

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.

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

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 К58-96 (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 <Cобщ = 0,5 Ф; UнOM = 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!

Публикацию подготовил Н. КОЧЕТОВ по материалам журналов Design & Elektronik, Popular Electronics и справочным данным открытой отечественной печати.