¿Puede el ionistor reemplazar la batería?

Hoy, la tecnología de batería ha avanzado significativamente y se ha vuelto más avanzada que en la última década. Pero aún así, por el momento, las baterías siguen siendo consumibles, ya que tienen un pequeño recurso.

La idea de usar un condensador para almacenar y almacenar energía no es nueva, y los primeros experimentos se realizaron con condensadores electrolíticos. La capacidad de los condensadores electrolíticos es significativa: cientos de miles de microfaradios, pero aún así no es suficiente para suministrar una carga larga, aunque no una carga grande, además, hay una corriente de fuga significativa debido a las características de diseño.

La tecnología moderna no se detiene, y se inventó el ionistor, este es un condensador, tiene una capacidad extra grande, desde unidades de faradios hasta decenas de miles de faradios. Los ionizadores con una capacidad de una unidad de faradio se utilizan en la electrónica portátil, para garantizar una alimentación ininterrumpida para circuitos de baja corriente, como un microcontrolador. Y decenas de miles de ionizadores de faradios se utilizan junto con baterías para alimentar varios motores eléctricos. En esta combinación, el ionistor reduce la carga en las baterías, lo que aumenta significativamente su vida útil y al mismo tiempo aumenta la corriente de arranque que puede proporcionar el sistema de potencia del motor híbrido.



Era necesario encender el sensor de temperatura para no cambiar la batería. El sensor funciona con una batería AA de tamaño estándar y se enciende para enviar datos a la estación meteorológica una vez cada 40 segundos. En el momento del envío, el sensor consume un promedio de 6 mA durante 2 segundos.

Hubo una idea de usar una batería solar y un ionistor. En función de las características de consumo detectadas del sensor, se tomaron los siguientes elementos:
1. Batería solar de 5 voltios y aproximadamente 50 mA de corriente (batería solar de fabricación soviética de unos 15 años)
2. Ionistor: Panasonic de 5,5 voltios y capacidad de 1 faradio.
3. Ionistores 2 piezas: DMF 5.5 voltios y una capacidad total de 1 faradio.
4. Diodo Schottky con una caída de voltaje directa a una corriente baja de 0.3 V.
Se necesita un diodo Schottky para evitar la descarga de capacitancia a través de una batería solar.
Los ionistores están conectados en paralelo, y la capacidad total es de 2 faradios.


Foto 1.

Experimento No. 1 : conecté un microcontrolador con una pantalla LCD monocroma y una corriente de consumo total de 500 μA. Aunque el microcontrolador con pantalla funcionaba, noté que las viejas células solares eran extremadamente ineficientes, la corriente de carga en la pantalla no era suficiente para cargar los ionistores, el voltaje en la batería solar de 5 voltios en la pantalla era inferior a 2 voltios. (Por algunas razones, el microcontrolador con la pantalla no se muestra en la foto).

Experimento 2
Para aumentar las posibilidades de éxito, compré en el mercado de la radio nuevas células solares con clasificaciones de 2 V, corriente de 40 mA y 100 mA, fabricadas en China inundadas con resina óptica. En comparación, estas baterías en la sombra ya dieron 1.8 voltios, aunque no es una gran corriente de carga, pero aún así un ionistor de carga es notablemente mejor.
Soldando el diseño con una batería nueva, un diodo Schottky y condensadores, lo puse en el alféizar de la ventana para que el condensador se cargara.
A pesar de que la luz solar no golpeó directamente la batería, después de 10 minutos el condensador se cargó hasta 1.95 V. Tomó un sensor de temperatura, sacó la batería y conectó un ionistor con una batería solar a los contactos del compartimiento de la batería.


Foto 2.

El sensor de temperatura comenzó a funcionar inmediatamente y transmitió la temperatura ambiente a la estación meteorológica. Después de asegurarse de que el sensor funciona, montó un condensador con una batería solar y lo colgó en su lugar.
¿Qué pasó después?
Durante todas las horas del día, el sensor funcionó correctamente, pero al anochecer, después de una hora, el sensor dejó de transmitir datos. Obviamente, la carga almacenada no fue suficiente ni siquiera durante una hora de funcionamiento del sensor y luego quedó claro por qué ...

Experimento No. 3
Decidí modificar ligeramente el diseño para que el ionistor (devuelto el conjunto de 2 ionizadores de faradios) estuviera completamente cargado. Monté una batería de tres elementos, resultó 6 voltios y una corriente de 40 mA (a plena luz del sol). Esta batería en la sombra ya dio hasta 3.7 V en lugar de los 1.8 V anteriores (foto 1) y una corriente de carga de hasta 2 mA. En consecuencia, el ionistor estaba cargando hasta 3.7 V y ya tenía significativamente más energía almacenada en comparación con el Experimento No. 2.


Foto 3.

Todo estaría bien, pero ahora tenemos una salida de hasta 5.5 V, y el sensor está alimentado por 1.5 V. Se requiere un convertidor CC / CC, que a su vez introduce pérdidas adicionales. El convertidor que tenía estaba en uso, consumía aproximadamente 30 μA y daba 4,2 V. en la salida. Hasta ahora no he podido encontrar el convertidor que necesito para alimentar el sensor de temperatura desde el diseño modernizado. (Será necesario seleccionar un convertidor y repetir el experimento).

Acerca de las pérdidas de energía:
se mencionó anteriormente que los ionistores tienen una corriente de autodescarga, en este caso fue de 50 μA para el montaje de 2 faradios, pérdidas al convertidor DC / DC de aproximadamente 4% (eficiencia declarada 96%) y su velocidad de inactividad de 30 μA también se agregan aquí . Si no tiene en cuenta las pérdidas de conversión, ya tenemos un consumo de aproximadamente 80 μA.
Es necesario tomar el ahorro de energía con mucho cuidado, porque se ha establecido experimentalmente que un ionistor con una capacidad de 2 faradios cargados hasta 5.5 V y descargado hasta 2.5 V tiene, por así decirlo, una capacidad de "batería" de 1 mA. En otras palabras, al consumir 1 mA del ionistor durante una hora, lo descargaremos de 5.5 V a 2.5 V.

Acerca de la velocidad de carga bajo la luz solar directa: la
corriente recibida de la batería solar es mayor, mejor se ilumina la batería por la luz solar directa. En consecuencia, la velocidad de carga del ionistor aumenta significativamente.


Foto 4.

A partir de las lecturas del multímetro se puede ver (0.192 V, lecturas iniciales), después de 2 minutos el condensador se cargó a 1.161 V, después de 5 minutos a 3.132 V y después de 10 minutos 5.029 V. En 17 minutos, el ionistor se cargó al 90%. Cabe señalar que la iluminación de la batería solar fue desigual durante todo el tiempo y se produjo a través de un vidrio de doble ventana y una película protectora de la batería.

Informe técnico sobre el Experimento No. 3
Características técnicas del diseño:
- Batería solar de 12 celdas, 6 V, corriente de 40 mA (cuando está completamente expuesta al sol), (3.7 V a la sombra del clima nublado y una corriente de 1 mA con una carga de ionistor).
- Los ionistores están conectados en paralelo, la capacitancia total es de 2 Faradios, el voltaje permitido es de 5.5 V, la corriente de autodescarga es de 50 μA;
- Se utiliza un diodo Schottky con una caída de voltaje directo de 0.3 V para aislar la batería solar y el ionistor para la alimentación.
- Dimensiones del diseño 55 x 85 mm (tarjeta de plástico VISA).
Desde este modelo fue posible alimentar: un
microcontrolador con una pantalla LCD (consumo de corriente 500 μA a 5.5 V, tiempo de funcionamiento sin batería solar, aproximadamente 1.8 horas);
Sensor de temperatura, horas de trabajo de un día con una batería solar, consumo de 6 mA durante 2 segundos cada 40 segundos;
El LED brilló durante 60 segundos a una corriente promedio de 60 mA sin una batería solar;
También se probó un convertidor de voltaje CC / CC (para una fuente de alimentación estable), con el que fue posible obtener 60 mA y 4 V, durante 60 segundos (cuando el ionistor se cargó hasta 5.5 V, sin una batería solar).
Los datos obtenidos indican que los ionistores en este diseño tienen una capacidad aproximada de 1 mA (sin recarga de una batería solar con una descarga de hasta 2.5 V).

Conclusiones:
este diseño le permite almacenar energía en condensadores para el suministro ininterrumpido de energía de dispositivos de micropoder. La capacidad acumulada de 1 mA por 2 faradios de capacidad del condensador debería ser suficiente para garantizar la operabilidad de un microprocesador con bajo consumo en la oscuridad durante 10 horas. En este caso, la pérdida de corriente total y el consumo por la carga no debe exceder los 100 μA. Durante el día, el ionistor se recarga de la batería solar incluso a la sombra y puede alimentar la carga en modo pulsado con una corriente de hasta 100 mA.

Respondemos la pregunta en el título del artículo: ¿Puede el ionistor reemplazar la batería?
- puede reemplazar, pero hasta ahora con restricciones significativas en el consumo de corriente y el modo de funcionamiento de la carga.

Desventajas

• baja capacidad de almacenamiento de energía (aproximadamente 1 mA por cada 2 Faradios de capacidad de ionistor)
• corriente significativa de autodescarga del condensador (pérdida estimada del 20% de capacidad por día)
• Las dimensiones de la estructura están determinadas por la batería solar y la capacidad total de los ionistores.

Ventajas:

• falta de desgaste de elementos químicos (acumuladores)
• rango de temperatura de funcionamiento de -40 a +60 grados Celsius
• simplicidad de diseño
• no alto costo

Después de todos los experimentos, surgió la idea de modernizar el diseño de la siguiente manera:


Foto 5.

En un lado del tablero hay una batería solar, por otro lado, un conjunto de ionistores y un convertidor CC / CC.

Especificaciones:

• Batería solar de 12 celdas, 6 V, corriente de 60 mA (con exposición total al sol);
• Ionistores de capacidad total 4; 6 o 16 Faradios, voltaje permisible 5.5 V, corriente de autodescarga total, respectivamente, 120 \ 140 \ (aún no se conoce) μA;
• Un diodo Schottky es dual con una caída en el voltaje directo de 0.15 V, se utiliza para desacoplar la energía de la batería solar y el ionistor;
• Dimensiones de diseño: 55 x 85 mm (tarjeta de plástico VISA);
• Capacidad estimada sin recarga de paneles solares al instalar condensadores 4; 6 o 16 Faradios, es aproximadamente 2 \ 3 \ 8 mA.

PD: Si observa un error tipográfico, error o imprecisión en los cálculos, escríbanos un mensaje personal y lo solucionaremos rápidamente.

Continuará ...

Autor:
Chuyanov Vladimir