Kann der Ionistor die Batterie ersetzen?

Die Batterietechnologie hat sich heute erheblich weiterentwickelt und ist weiter fortgeschritten als im letzten Jahrzehnt. Dennoch bleiben Batterien vorerst Verbrauchsmaterialien, da sie eine kleine Ressource haben.

Die Idee, einen Kondensator zum Speichern und Speichern von Energie zu verwenden, ist nicht neu, und die ersten Experimente wurden mit Elektrolytkondensatoren durchgeführt. Die Kapazität von Elektrolytkondensatoren ist erheblich - Hunderttausende von Mikrofarad, aber es reicht immer noch nicht aus, eine lange Last zu liefern, obwohl es sich nicht um eine große Last handelt. Darüber hinaus gibt es aufgrund der Konstruktionsmerkmale einen signifikanten Leckstrom.

Die moderne Technologie steht nicht still und der Ionistor wurde erfunden. Dies ist ein Kondensator mit einer besonders großen Kapazität - von Farad-Einheiten bis zu Zehntausenden von Farad. Ionistoren mit einer Kapazität von einer Farad-Einheit werden in tragbaren Elektronikgeräten verwendet, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für Niedrigstromkreise wie Mikrocontroller sicherzustellen. Zehntausende von Farad-Ionistoren werden in Verbindung mit Batterien verwendet, um verschiedene Elektromotoren anzutreiben. In dieser Kombination reduziert der Ionistor die Belastung der Batterien, was ihre Batterielebensdauer erheblich verlängert und gleichzeitig den Anlaufstrom erhöht, den das Hybridmotor-Antriebssystem liefern kann.



Der Temperatursensor musste mit Strom versorgt werden, um die Batterie nicht zu wechseln. Der Sensor wird von einer AA-Batterie in Standardgröße gespeist und alle 40 Sekunden eingeschaltet, um Daten an die Wetterstation zu senden. Zum Zeitpunkt des Sendens verbraucht der Sensor 2 Sekunden lang durchschnittlich 6 mA.

Es gab die Idee, eine Solarbatterie und einen Ionistor zu verwenden. Basierend auf den erkannten Verbrauchseigenschaften des Sensors wurden die folgenden Elemente aufgenommen:
1. 5-Volt-Solarbatterie und ca. 50 mA Strom (sowjetische Solarbatterie ca. 15 Jahre alt)
2. Ionistor: Panasonic 5,5 Volt und 1 Farad-Kapazität.
3. Ionistoren 2 Stk.: DMF 5,5 Volt und eine Gesamtkapazität von 1 Farad.
4. Schottky-Diode mit einem direkten Spannungsabfall bei einem niedrigen Strom von 0,3 V.
Eine Schottky-Diode wird benötigt, um eine Entladung der Kapazität durch eine Solarbatterie zu verhindern.
Die Ionistoren sind parallel geschaltet und die Gesamtkapazität beträgt 2 Farad.


Foto 1.

Experiment Nr. 1 - Ich habe einen Mikrocontroller mit einem monochromen LCD-Display und einem Gesamtverbrauchsstrom von 500 μA angeschlossen. Obwohl der Mikrocontroller mit dem Display funktionierte, bemerkte ich, dass die alten Solarzellen äußerst ineffizient waren, der Ladestrom im Schatten nicht ausreichte, um die Ionistoren überhaupt aufzuladen, und die Spannung an der 5-Volt-Solarbatterie im Schatten weniger als 2 Volt betrug. (Aus bestimmten Gründen ist der Mikrocontroller mit dem Display auf dem Foto nicht dargestellt.)

Experiment 2
Um die Erfolgschancen zu erhöhen, kaufte ich auf dem Radiomarkt neue Solarzellen mit einer Nennspannung von 2 V, einem Strom von 40 mA und 100 mA, die in China hergestellt und mit optischem Harz geflutet wurden. Zum Vergleich, diese Batterien im Schatten gaben bereits 1,8 Volt ab, obwohl kein großer Ladestrom, aber dennoch ein Ladeionistor spürbar besser ist.
Ich löte das Design bereits mit einer neuen Batterie, einer Schottky-Diode und Kondensatoren und legte es auf die Fensterbank, damit sich der Kondensator aufladen würde.
Trotz der Tatsache, dass Sonnenlicht nicht direkt auf die Batterie traf, wurde der Kondensator nach 10 Minuten auf 1,95 V aufgeladen. Er nahm einen Temperatursensor, nahm die Batterie heraus und schloss einen Ionistor mit einer Solarbatterie an die Kontakte des Batteriefachs an.


Foto 2.

Der Temperatursensor begann sofort zu arbeiten und übertrug die Raumtemperatur an die Wetterstation. Nachdem er sichergestellt hatte, dass der Sensor funktioniert, montierte er einen Kondensator mit einer Solarbatterie und hängte ihn auf.
Was danach geschah?
Alle Tageslichtstunden funktionierte der Sensor ordnungsgemäß, aber nach Einbruch der Dunkelheit hörte der Sensor nach einer Stunde auf, Daten zu übertragen. Offensichtlich reichte die gespeicherte Ladung nicht einmal für eine Stunde des Sensorbetriebs aus, und dann wurde klar, warum ...

Experiment Nr. 3
Ich beschloss, das Design leicht zu modifizieren, damit der Ionistor (der die Anordnung von 2 Farad-Ionistoren zurückgab) vollständig aufgeladen war. Ich habe eine Batterie aus drei Elementen zusammengebaut, die 6 Volt und einen Strom von 40 mA (bei vollem Sonnenlicht) ergab. Diese Batterie im Schatten gab bereits bis zu 3,7 V anstelle der vorherigen 1,8 V (Foto 1) und einen Ladestrom von bis zu 2 mA ab. Dementsprechend lud der Ionistor bis zu 3,7 V auf und hatte im Vergleich zu Experiment Nr. 2 bereits deutlich mehr gespeicherte Energie.


Foto 3.

Alles wäre in Ordnung, aber wir haben jetzt einen Ausgang von bis zu 5,5 V und der Sensor wird mit 1,5 V betrieben. Ein DC / DC-Wandler ist erforderlich, was wiederum zusätzliche Verluste mit sich bringt. Der Konverter, den ich verwendet hatte, verbrauchte ungefähr 30 μA und lieferte 4,2 V am Ausgang. Bisher konnte ich nicht den Konverter finden, den ich benötige, um den Temperatursensor mit dem modernisierten Design zu versorgen. (Es ist notwendig, einen Konverter auszuwählen und das Experiment zu wiederholen.)

Über Energieverluste:
Es wurde oben erwähnt, dass die Ionistoren einen Selbstentladungsstrom haben, in diesem Fall waren es 50 μA für Montage 2 Farad, Verluste für den DC / DC-Wandler von ungefähr 4% (deklarierter Wirkungsgrad 96%) und seine Leerlaufdrehzahl 30 μA werden hier ebenfalls hinzugefügt . Wenn Sie die Umwandlungsverluste nicht berücksichtigen, haben wir bereits einen Verbrauch von ca. 80 μA.
Es ist notwendig, sehr energiesparend vorzugehen, da experimentell festgestellt wurde, dass ein Ionistor mit einer Kapazität von 2 Farad, der auf 5,5 V geladen und auf 2,5 V entladen wird, sozusagen eine "Batterie" -Kapazität von 1 mA hat. Mit anderen Worten, wenn Sie 1 mA für eine Stunde vom Ionistor verbrauchen, entladen wir ihn von 5,5 V auf 2,5 V.

Über die Ladegeschwindigkeit bei direkter Sonneneinstrahlung: Der
von der Solarbatterie empfangene Strom ist höher, je besser die Batterie durch direktes Sonnenlicht beleuchtet wird. Dementsprechend nimmt die Ladegeschwindigkeit des Ionistors signifikant zu.


Foto 4.

Aus den Ablesungen des Multimeters ist ersichtlich (0,192 V, anfängliche Ablesungen), nach 2 Minuten wurde der Kondensator auf 1,161 V, nach 5 Minuten auf 3,132 V und nach 10 Minuten auf 5,029 V aufgeladen. Innerhalb von 17 Minuten war der Ionistor zu 90% geladen. Es ist zu beachten, dass die Beleuchtung der Solarbatterie während der gesamten Zeit ungleichmäßig war und durch ein Doppelfensterglas und einen Schutzfilm der Batterie erfolgte.

Technischer Bericht zu Experiment Nr. 3
Technische Eigenschaften des Layouts:
- Solarbatterie 12 Zellen, 6 V, Strom 40 mA (bei vollständiger Sonneneinstrahlung), (3,7 V im Schatten bewölkten Wetters und 1 mA Strom bei Belastung des Ionistors).
- Ionistoren sind parallel geschaltet, die Gesamtkapazität beträgt 2 Farad, die zulässige Spannung beträgt 5,5 V, der Selbstentladestrom beträgt 50 μA;
- Eine Schottky-Diode mit einem Gleichspannungsabfall von 0,3 V dient zur Isolierung der Solarbatterie und des Ionistors für die Stromversorgung.
- Abmessungen des Layouts 55 x 85 mm (Plastikkarte VISA).
Mit diesem Modell konnte Folgendes betrieben werden: ein
Mikrocontroller mit LCD-Display (Stromaufnahme 500 μA bei 5,5 V, Betriebszeit ohne Solarbatterie ca. 1,8 Stunden);
Temperatursensor, Arbeitsstunden eines Tages mit einer Solarbatterie, Verbrauch von 6 mA für 2 Sekunden alle 40 Sekunden;
Die LED leuchtete 60 Sekunden lang bei einem durchschnittlichen Strom von 60 mA ohne Solarbatterie.
Es wurde auch ein DC / DC-Spannungswandler (für eine stabile Stromversorgung) getestet, mit dem es möglich war, innerhalb von 60 Sekunden 60 mA und 4 V zu erhalten (wenn der Ionistor ohne Solarbatterie auf 5,5 V aufgeladen wurde).
Die erhaltenen Daten zeigen, dass die Ionistoren in dieser Konstruktion eine ungefähre Kapazität von 1 mA haben (ohne Aufladung durch eine Solarbatterie mit einer Entladung von bis zu 2,5 V).

Schlussfolgerungen: Mit
diesem Design können Sie Energie in Kondensatoren speichern, um die Stromversorgung von Mikropower-Geräten unterbrechungsfrei zu gewährleisten. Die akkumulierte Kapazität von 1 mA pro 2 Farad Kondensatorkapazität sollte ausreichen, um die Funktionsfähigkeit eines Mikroprozessors mit geringem Verbrauch im Dunkeln für 10 Stunden sicherzustellen. In diesem Fall sollte der Gesamtstromverlust und der Gesamtverbrauch der Last 100 μA nicht überschreiten. Tagsüber wird der Ionistor auch im Schatten aus der Solarbatterie aufgeladen und kann die Last gepulst mit einem Strom von bis zu 100 mA versorgen.

Wir beantworten die Frage im Titel des Artikels - Kann der Ionistor die Batterie ersetzen?
- kann ersetzen, jedoch mit erheblichen Einschränkungen hinsichtlich des Stromverbrauchs und der Betriebsart der Last.

Nachteile:

• Niedrige Energiespeicherkapazität (ca. 1 mA pro 2 Farad Ionistorkapazität)
• signifikanter Kondensator-Selbstentladestrom (geschätzter Verlust von 20% Kapazität pro Tag)
• Die Abmessungen der Struktur werden durch die Solarbatterie und die Gesamtkapazität der Ionistoren bestimmt.

Vorteile:

• Mangel an tragenden chemischen Elementen (Akkumulatoren)
• Betriebstemperaturbereich von -40 bis +60 Grad Celsius
• Einfachheit des Designs
• nicht hohe Kosten

Nach all den durchgeführten Experimenten kam die Idee, das Design wie folgt zu modernisieren:


Foto 5.

Auf einer Seite der Platine befindet sich eine Solarbatterie, auf der anderen Seite eine Baugruppe aus Ionistoren und ein DC / DC-Wandler.

Technische Eigenschaften:

• Solarbatterie 12 Zellen, 6 V, Strom 60 mA (bei voller Sonneneinstrahlung);
• Gesamtkapazität der Ionisten 4; 6 oder 16 Farad, zulässige Spannung 5,5 V, Gesamtselbstentladungsstrom 120 \ 140 \ (noch nicht bekannt) μA;
• Eine Schottky-Diode ist dual mit einem Gleichspannungsabfall von 0,15 V und dient zum Entkoppeln der Leistung von Solarbatterie und Ionistor.
• Layoutabmessungen: 55 x 85 mm (VISA-Plastikkarte);
• Geschätzte Kapazität ohne Aufladung von Sonnenkollektoren bei Installation von Kondensatoren 4; 6 oder 16 Farad beträgt ungefähr 2 \ 3 \ 8 mA.

PS Wenn Sie einen Tippfehler, einen Fehler oder eine Ungenauigkeit in den Berechnungen bemerken, schreiben Sie uns eine persönliche Nachricht und wir werden diese schnell beheben.

Fortsetzung folgt ...

Autor:
Chuyanov Vladimir