O ionistor pode substituir a bateria?

Hoje, a tecnologia da bateria avançou significativamente e se tornou mais avançada do que na década passada. Mas ainda assim, por enquanto, as baterias permanecem consumíveis, porque possuem um pequeno recurso.

A idéia de usar um capacitor para armazenar e armazenar energia não é nova, e os primeiros experimentos foram conduzidos com capacitores eletrolíticos. A capacitância dos capacitores eletrolíticos é significativa - centenas de milhares de microfarads, mas ainda não é suficiente fornecer uma carga longa, embora não seja uma carga grande; além disso, há uma corrente de vazamento significativa devido às características do projeto.

A tecnologia moderna não pára e o ionistor foi inventado, este é um capacitor, tem uma capacidade extra-grande - de unidades de farads a dezenas de milhares de farads. Os ionistores com capacidade para uma unidade de farad são usados ​​em eletrônicos portáteis, para garantir energia ininterrupta para circuitos de baixa corrente, como um microcontrolador. E dezenas de milhares de ionistores farad são usados ​​em conjunto com baterias para alimentar vários motores elétricos. Nesta combinação, o ionistor reduz a carga nas baterias, o que aumenta significativamente a vida útil das baterias e, ao mesmo tempo, aumenta a corrente de partida que o sistema de potência do motor híbrido pode fornecer.



Havia uma necessidade de alimentar o sensor de temperatura, para não trocar a bateria. O sensor é alimentado por uma bateria AA de tamanho padrão e é ligado para enviar dados para a estação meteorológica uma vez a cada 40 segundos. No momento do envio, o sensor consome uma média de 6 mA por 2 segundos.

Havia uma idéia para usar uma bateria solar e um ionistor. Com base nas características de consumo detectadas pelo sensor, foram utilizados os seguintes elementos:
1. Bateria solar de 5 Volts e corrente de aproximadamente 50 mA (bateria solar fabricada na União Soviética com aproximadamente 15 anos de idade)
2. Ionistor: Panasonic 5,5 Volts e capacidade de 1 farad.
3. Ionistores 2 peças: DMF 5,5 Volts e capacidade total de 1 farad.
4. Diodo Schottky com queda direta de tensão a uma corrente baixa de 0,3 V.
É necessário um diodo Schottky para impedir a descarga de capacitância através de uma bateria solar.
Os ionistores são conectados em paralelo e a capacidade total é de 2 farads.


Foto 1.

Experiência nº 1 - Conectei um microcontrolador a um monitor LCD monocromático e uma corrente de consumo total de 500 μA. Embora o microcontrolador com a tela funcionasse, mas notei que as células solares antigas eram extremamente ineficazes, a corrente de carga na sombra não era suficiente para carregar os ionistores, a tensão na bateria solar de 5 volts na sombra era inferior a 2 volts. (Por alguns motivos, o microcontrolador com a tela não é mostrado na foto).

Experiência 2
Para aumentar a chance de sucesso, comprei no mercado de rádio novas células solares com potências de 2 V, corrente de 40 mA e 100 mA, fabricadas na China, inundadas com resina óptica. Para comparação, essas baterias na sombra já emitiam 1,8 volts, enquanto não eram uma corrente de carga grande, mas ainda assim um ionistor de carga é visivelmente melhor.
Já soldando o design com uma bateria nova, um diodo Schottky e capacitores, coloquei-o no parapeito da janela para que o capacitor fosse carregado.
Apesar de a luz do sol não atingir diretamente a bateria, após 10 minutos o capacitor foi carregado até 1,95 V. Ele pegou um sensor de temperatura, retirou a bateria e conectou um ionistor com uma bateria solar aos contatos do compartimento da bateria.


Foto 2.

O sensor de temperatura começou a funcionar imediatamente e transmitiu a temperatura ambiente para a estação meteorológica. Depois de verificar se o sensor está funcionando, ele montou um capacitor com uma bateria solar e o pendurou no lugar.
O que aconteceu depois?
Durante o dia todo, o sensor funcionou corretamente, mas depois de escurecer, após uma hora, o sensor parou de transmitir dados. Obviamente, a carga armazenada não foi suficiente nem por uma hora de operação do sensor e ficou claro o porquê ...

Experiência nº 3
Decidi modificar levemente o design para que o ionistor (retornasse a montagem de 2 ionistores farad) estivesse totalmente carregado. Montei uma bateria de três elementos, resultou em 6 volts e uma corrente de 40 mA (sob a luz do sol). Esta bateria na sombra já produziu 3,7 V em vez dos 1,8 V anteriores (foto 1) e uma corrente de carga de até 2 mA. Consequentemente, o ionistor estava carregando até 3,7 V e já possuía significativamente mais energia armazenada em comparação com o experimento nº 2.


Foto 3.

Tudo ficaria bem, mas agora temos uma saída de até 5,5 V e o sensor é alimentado por 1,5 V. É necessário um conversor DC \ DC, que, por sua vez, introduz perdas adicionais. O conversor que eu tinha estava em uso, consumiu cerca de 30 μA e produziu 4,2 V. Até agora, não consegui encontrar o conversor necessário para alimentar o sensor de temperatura a partir do design modernizado. (Será necessário selecionar um conversor e repetir o experimento).

Sobre perdas de energia:
Mencionou-se acima que os ionistores possuem uma corrente de autodescarga; neste caso, foram 50 μA para montagem de 2 farads, perdas no conversor DC / DC de cerca de 4% (eficiência declarada 96%) e sua velocidade ociosa de 30 μA também são adicionadas aqui . Se você não levar em conta as perdas de conversão, já temos um consumo de cerca de 80 μA.
É necessário levar a economia de energia com muito cuidado, porque foi experimentalmente estabelecido que um ionistor com capacidade de 2 farads carregados em 5,5 V e descarregados em 2,5 V possui, por assim dizer, uma capacidade de "bateria" de 1 mA. Em outras palavras, consumindo 1 mA do ionistor por uma hora, descarregaremos de 5,5 V a 2,5 V.

Sobre a velocidade de carga na luz solar direta: A
corrente recebida da bateria solar é maior, melhor a bateria é iluminada pela luz solar direta. Por conseguinte, a velocidade de carga do ionistor aumenta significativamente.


Foto 4.

A partir das leituras do multímetro, pode ser visto (0,192 V, leituras iniciais), após 2 minutos o capacitor foi carregado para 1,161 V, após 5 minutos para 3,152 V e após 10 minutos 5,029 V. Em 17 minutos, o ionistor estava 90% carregado. Note-se que a iluminação da bateria solar foi desigual durante todo o tempo e ocorreu através de um vidro duplo e uma película protetora da bateria.

Relatório técnico da experiência nº 3
Características técnicas do layout:
- Bateria solar de 12 células, 6 V, corrente de 40 mA (quando totalmente exposta ao sol), (3,7 V na sombra do tempo nublado e corrente de 1 mA com carga no ionistor).
- Os ionistores são conectados em paralelo, a capacitância total é de 2 Farads, a tensão admissível é de 5,5 V, a corrente de descarga automática é de 50 μA;
- Um diodo Schottky com uma queda de tensão direta de 0,3 V é usado para isolar a bateria solar e o ionistor para obter energia.
- Dimensões do layout 55 x 85 mm (cartão plástico VISA).
A partir desse modelo, foi possível alimentar: um
microcontrolador com visor LCD (consumo atual de 500 μA a 5,5 V, tempo de operação sem bateria solar, aproximadamente 1,8 horas);
Sensor de temperatura, horário de trabalho do dia com bateria solar, consumo de 6 mA por 2 segundos a cada 40 segundos;
O LED brilhou por 60 segundos a uma corrente média de 60 mA sem bateria solar;
Também foi testado um conversor de tensão CC \ CC (para fornecimento estável de energia), com o qual foi possível obter 60 mA e 4 V, em 60 segundos (quando o ionistor foi carregado até 5,5 V, sem bateria solar).
Os dados obtidos indicam que os ionistores deste projeto têm uma capacidade aproximada de 1 mA (sem recarga de uma bateria solar com uma descarga de até 2,5 V).

Conclusões:
Esse projeto permite armazenar energia em capacitores para fornecimento ininterrupto de energia de dispositivos de micropoder. A capacidade acumulada de 1 mA por 2 farads de capacidade do capacitor deve ser suficiente para garantir a operabilidade de um microprocessador com baixo consumo no escuro por 10 horas. Nesse caso, a perda total de corrente e o consumo da carga não devem exceder 100 μA. Durante o dia, o ionistor é recarregado da bateria solar mesmo na sombra e é capaz de alimentar a carga no modo pulsado com uma corrente de até 100 mA.

Respondemos à pergunta no título do artigo - O ionistor pode substituir a bateria?
- pode substituir, mas até agora por restrições significativas ao consumo atual e ao modo de operação da carga.

Desvantagens:

• baixa capacidade de armazenamento de energia (aproximadamente 1 mA para cada 2 Farad de capacidade ionistor)
• corrente significativa de auto-descarga do capacitor (perda estimada de 20% da capacidade por dia)
• As dimensões da estrutura são determinadas pela bateria solar e pela capacidade total dos ionistores.

Vantagens:

• falta de uso de elementos químicos (acumuladores)
• faixa de temperatura operacional de -40 a +60 graus Celsius
• simplicidade de design
• custo não alto

Depois de todos os experimentos realizados, surgiu a idéia de modernizar o projeto da seguinte forma:


Foto 5.

De um lado da placa, há uma bateria solar, por outro lado, um conjunto de ionistores e um conversor DC \ DC.

Especificações:

• Bateria solar de 12 células, 6 V, corrente de 60 mA (com exposição ao sol);
• Capacidade total de ionistores 4; 6 ou 16 Farads, tensão admissível 5,5 V, corrente total de autodescarga, respectivamente, 120 \ 140 \ (ainda não conhecida) μA;
• Um diodo Schottky é duplo com uma queda de tensão direta de 0,15 V, é usado para desacoplar a energia da bateria solar e do ionistor;
• Dimensões do layout: 55 x 85 mm (cartão plástico VISA);
• Capacidade estimada sem recarga de painéis solares ao instalar capacitores 4; 6 ou 16 Farad, é de aproximadamente 2 \ 3 \ 8 mA.

PS Se você perceber um erro de digitação, erro ou imprecisão nos cálculos, escreva-nos uma mensagem pessoal e a corrigiremos rapidamente.

To be continue ...

Autor:
Chuyanov Vladimir