Меню

Как измерить емкость ионистора



Измеритель ёмкости ионисторов и конденсаторов большой ёмкости

Для измерения ёмкости конденсаторов есть несколько способов, но не все они пригодны для измерения ёмкости более нескольких сотен микрофарад. Особенно большие проблемы возникают при измерении ионисторов, ёмкость которых может достигать 10 Ф и даже более. Между тем существует относительно простой и, кстати сказать, давно известный способ, основанный на измерении времени зарядки конденсатора от источника напряжения через резистор известного сопротивления. Как известно, если подключить конденсатор ёмкостью С через резистор сопротивлением R к источнику напряжения U (рис. 1), начнётся зарядка конденсатора и напряжение на нём (Uc) будет увеличиваться по экспоненциальному закону:

где е — основание натурального логарифма (е « 2,718); t — время; RC — так называемая постоянная времени RC-це-пи, которая не зависит от напряжения. В момент времени, когда t = trc = RC, напряжение на конденсаторе будет равно Uс = U(1-1/e) = U( 1-0,367) = 0.633U. Поэтому, измерив временной интервал от начала зарядки конденсатора до момента, когда напряжение на нём достигнет значения 0,6331), можно с помощью простого расчёта определить ёмкость измеряемого

конденсатора С = Если сопротивление резистора будет «круглым», например 10 кОм, все расчёты можно легко проводить в уме. Например, для указанного резистора время зарядки конденсатора до 0,6331) составило 46 с, тогда ёмкость измеряемого конденсатора С„ = 46/104 = 46 мФ = 4600 мкФ.

Таким образом, в этом случае коэффициент пересчёта К = 100 мкФ/с. Для резистора R = 1 кОм время измерения уменьшится в 10 раз, а коэффициент пересчёта К = 1000 мкФ/с.

По такому принципу и работает предлагаемый измеритель. Сделать его можно в виде приставки к компьютеру или другому электронному устройству со встроенным секундомером, например, к электронным (электронно-механическим) часам или сотовому телефону. Особенно следует подчеркнуть относительную простоту реализации данного способа и отсутствие необходимости проведения калибровки с помощью эталонных конденсаторов (достаточно цифрового вольтметра). Кроме того, напряжение также может быть любым (в разумных пределах), главное, чтобы оно не изменялось за время проведения измерения. Для измерения ёмкости ионисторов может потребоваться несколько минут, в сочетании с погрешностью измерения в несколько процентов это вполне допустимо для радиолюбительской практики.

Следует отметить, что на погрешность измерения влияют токи утечки и последовательное сопротивление (ESR) конденсаторов и ионисторов. Например, ESR ионисторов некоторых типов может достигать 30 Ом, и если заряжать такой ионистор через резистор сопротивлением 100 Ом, погрешность измерения может составить десятки процентов. Поэтому сопротивление резистора, через который осуществляется зарядка конденсатора, должно быть не менее 1 кОм.

Вниманию читателей предлагается измерительная приставка к электронно-механическим часам. Схема устройства представлена на рис. 2. Оно питается от встроенного в часы элемента питания (1,5 В), а сами часы можно использовать и по прямому назначению. В исходном состоянии напряжение питания поступает на микросхему, и часы работают в штатном режиме. При подключении приставки контакты гнезда XS1 размыкаются, часы останавливаются и питающее напряжение поступает на приставку. Она содержит повышающий стабилизированный преобразователь напряжения на микросхеме DA1, компаратор на ОУ DA2, электронный ключ на транзисторе VT1 и световой индикатор на светодиоде HL1.

После подачи питающего напряжения на приставку транзистор VT1 закрыт и преобразователь напряжения обесточен. Для измерения ёмкости конденсатора или ионистора его предварительно разряжают и затем подключают с соблюдением полярности к зажимам XS2, XS3 и кратковременно нажимают на кнопку SB1 «Пуск». На часы поступает напряжение питания, и они начнут отсчёт времени, одновременно начинает работать преобразователь напряжения, на его выходе появляется напряжение 3,3 В и включается светодиод HL1. Поскольку измеряемый конденсатор разряжен, напряжение на инвертирующем входе ОУ DA2 меньше, чем на неинвертирующем и на выходе будет напряжение 2. 2,2 В. Транзистор VT1 откроется, и после отпускания кнопки SB1 напряжение продолжит поступать на преобразователь напряжения и на часы, которые продолжат отсчёт ; времени зарядки. Выбор выходного напряжения преобразо- г вателя (3,3 В) обусловлен тем, что в этом случае конденсатор будет заряжаться до напряжения Uc = 3,3 0,633 = 2,088 В, поэтому с помощью приставки можно измерять ёмкость ионисторов и конденсаторов с номинальным напряжением 2 В и более.

Как только конденсатор зарядится до указанного напряжения, на выходе ОУ DA2 появится напряжение, близкое к нулю, транзистор VT1 закроется, часы и преобразователь напряжения будут обесточены и светодиод погаснет — процесс измерения завершён. Остаётся считать показания часов и определить ёмкость с учётом коэффициента пересчёта, установленного переключателем SA1. Для удобства проведения измерений часы предварительно устанавливают на начало отсчёта. Для повторного измерения того же конденсатора надо предварительно разрядить его, нажав на кнопку SB2 «Разрядка» на несколько десятков секунд. Для разрядки ионистора и оксидного конденсатора ёмкостью более нескольких тысяч микрофарад это надо сделать несколько раз.

Налаживание начинают с проверки работоспособности преобразователя напряжения и установки порога переключения ОУ Для этого проволочной перемычкой временно закорачивают выводы коллектора и эмиттера транзистора VT1, зажимы XS2 и XS3 соединяют между собой и подают напряжение 1,5 В от регулируемого блока питания. При изменении положения переключателя SA1 и уменьшении напряжения питания до 1,2 В выходное напряжение преобразователя не должно изменяться более чем на несколько процентов. В положении переключателя SA1 «100» к зажимам XS2, XS3 подключают переменный (желательно многооборотный) резистор сопротивлением 33 кОм. Выходное напряжение преобразователя 1)п измеряют цифровым вольтметром с разрешением не менее трёх цифр после запятой. Переменным резистором устанавливают на зажимах XS2, XS3 напряжение U = 0,633Un. Затем, контролируя напряжение на выходе ОУ, движок построечного резистора R5 устанавливают в положение, при котором малейшие изменения его положения приводят к переключению ОУ. Так погрешность переключения, обусловленная напряжением смещения ОУ, будет скомпенсирована. После удаления перемычки между коллектором и эмиттером транзистора и переменного резистора приставка готова к работе.

Читайте также:  Коэффициент измерения нормы горючего

В приставке применены резисторы и конденсаторы для поверхностного монтажа. Постоянные резисторы PH 1 -12 и конденсатор С1 (К10-17в) — типоразмера 1206, подстроечный резистор — PVZ3A (POZ3A), PVA3A (RVG3A), конденсатор С2 — танталовый типоразмера А или В. Для повышения точности измерения резисторы R3 и R4 следует подобрать с отклонением от номинала не более 0,5 %. Транзистор можно применить любой маломощный с коэффициентом передачи тока базы (h213) не менее 100. Светодиод — повышенной яркости свечения зелёного или красного цвета с диаметром корпуса 3 или 5 мм. Дроссель намотан на кольцевом магнитопроводе диаметром 6 мм от трансформатора КЛЛ и содержит 6. 7 витков провода ПЭВ-2 0,3. Переключатель — малогабаритный движковый ПД9-1 (SPDT), В3001, В3037, кнопки — любые малогабаритные с са-мовозвратом, зажимы XS2, XS3 — «крокодил».

Большинство деталей размещены на односторонней печатной плате из стеклотекстолита, чертёж которой представлен на рис. 3, а схема расположения элементов — на рис. 4. Кнопки закреплены на верхней крышке корпуса, в ней же сделаны отверстия для светодиода и движка переключателя. Для проводов в передней и задней стенках корпуса сделаны отверстия. Часы — любые электронно-механические, в корпусе которых можно установить гнездо. Их доработка минимальна — надо перерезать печатный проводник, идущий от «+» элемента питания к микросхеме часов и установить гнездо XS1 (гнездо для подключения головных стереотелефонов). Внешний вид устройства показан на рис. 5.

Источник

Как измерить емкость ионистора

_________________
«Какими бы глубокими знаниями я не
обладал, каким большим не был бы мой
опыт, всегда найдется человек умнее
меня и имеющий больше опыта.»

Реклама

JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой!

Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc

Полосатый
Поставщик валерьянки для Кота

Карма: 21
Рейтинг сообщений: 66
Зарегистрирован: Чт мар 26, 2009 04:35:04
Сообщений: 2004
Откуда: Москва
Рейтинг сообщения: 1

Вложения:
Ионистор_разряд.xls [109.5 KiB]
Скачиваний: 133

_________________
(Аль Котоне, кот ещё тот)
Усы и хвост — мои документы.
Кот — авторитет! Скажет «Мяу!» — не поспоришь. (скажи мне «мяу» и я скажу кто ты)

Вернуться наверх
Реклама

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Страница 1 из 1 [ Сообщений: 3 ]

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 8

Источник

Как измерить емкость ионистора

_________________
«Какими бы глубокими знаниями я не
обладал, каким большим не был бы мой
опыт, всегда найдется человек умнее
меня и имеющий больше опыта.»

Реклама

JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой!

Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc

Полосатый
Поставщик валерьянки для Кота

Карма: 21
Рейтинг сообщений: 66
Зарегистрирован: Чт мар 26, 2009 04:35:04
Сообщений: 2004
Откуда: Москва
Рейтинг сообщения: 1

Вложения:
Ионистор_разряд.xls [109.5 KiB]
Скачиваний: 133

_________________
(Аль Котоне, кот ещё тот)
Усы и хвост — мои документы.
Кот — авторитет! Скажет «Мяу!» — не поспоришь. (скажи мне «мяу» и я скажу кто ты)

Вернуться наверх
Реклама

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Страница 1 из 1 [ Сообщений: 3 ]

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 8

Источник

Как измерить емкость ионистора

_________________
«Какими бы глубокими знаниями я не
обладал, каким большим не был бы мой
опыт, всегда найдется человек умнее
меня и имеющий больше опыта.»

Реклама

JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой!

Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc

Полосатый
Поставщик валерьянки для Кота

Карма: 21
Рейтинг сообщений: 66
Зарегистрирован: Чт мар 26, 2009 04:35:04
Сообщений: 2004
Откуда: Москва
Рейтинг сообщения: 1

Вложения:
Ионистор_разряд.xls [109.5 KiB]
Скачиваний: 133

_________________
(Аль Котоне, кот ещё тот)
Усы и хвост — мои документы.
Кот — авторитет! Скажет «Мяу!» — не поспоришь. (скажи мне «мяу» и я скажу кто ты)

Вернуться наверх
Реклама

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Страница 1 из 1 [ Сообщений: 3 ]

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 8

Источник

Подключение ионисторов к устройствам сбора энергии

Pierre Mars, CAP-XX Ltd, Австралия

Сфера применения миниатюрных беспроводных датчиков постоянно расширяется. Они используются для контроля состояния сооружений, управления производственными процессами, в системах безопасности и в устройствах радиочастотной идентификации. Намного удобнее и экономически эффективнее питать такие датчики автономно с помощью небольших устройств сбора энергии, не нуждающихся в дорогих кабелях или требующих периодической замены аккумуляторах.

Окружающая среда может служить источником бесконечного количества энергии самых разнообразных форм, включая пьезоэлектрическую, тепловую, фотогальваническую и энергию вибрации, однако мощность ее весьма мала и крайне далека от пиковой потребности передатчиков беспроводных сетей, таких как IEEE 802.15.4 (Zigbee), 802.11 (WLAN), или GSM/GPRS. Чтобы обеспечить датчик достаточной мощностью для каждого цикла измерений и передачи данных, энергию необходимо накапливать в буфере, в качестве которого удобнее всего использовать ионисторы. Такие устройства накопления энергии медленно заряжаются от маломощного источника и кратковременно отдают большую мощность, когда это необходимо.

Рисунок 1. Модель идеального ионистора: последовательное соединение конденсатора емкостью C и резистора с сопротивлением ESR.

Определение необходимой емкости ионистора

Типичное рабочее напряжение ионисторных элементов лежит в диапазоне от 2.3 до 2.8 В. Оптимальная стратегия, позволяющая эффективно и с минимальными издержками запасать необходимую для приложения энергию, реализуется ограничением напряжения заряда до уровня, несколько меньшего, чем допустимое напряжение ионистора.

Простой способ определения необходимой емкости ионистора заключается в том, чтобы рассчитать количество энергии, необходимое для обеспечения устройства достаточной мощностью P в периоды максимального потребления, и приравнять его к выражению

C – емкость ионистора (в фарадах),
VINITIAL – напряжение на ионисторе непосредственно перед началом периода пикового потребления,
VFINAL – напряжение на ионисторе в конце этого периода.

Однако последнее выражение не учитывает потерь, обусловленных наличием паразитного внутреннего сопротивления ионистора – ESR (equivalent series resistance), снижающего напряжение на нагрузке:

ILOAD – ток нагрузки.

Поскольку напряжение на нагрузке уменьшается, ток нагрузки для поддержания расчетного уровня мощности увеличивается. Руководствуясь Рисунком 1, разработчики могут описать разряд ионистора следующими выражениями:

VSCAP – напряжение на ионисторе.

Из приведенных выражений вытекает уравнение для тока нагрузки:

Затем разряд ионистора может быть легко смоделирован в Excel на основании формул

Этот расчет исключительно важен, особенно, если произведение тока нагрузки на ESR достаточно велико в сравнении с напряжением на ионисторе в конце цикла разряда. В этом случае простая оценка энергетического баланса может показать, что емкость ионистора слишком мала, причем с понижением рабочей температуры нехватка емкости будет проявляться сильнее, так как при низких температурах ESR становится в два-три раза больше, чем при комнатной температуре.

Необходимо также помнить, что емкость и ESR ионистора изменяются со временем вследствие старения. Емкость постепенно падает, а внутреннее сопротивление возрастает. Скорость старения зависит от напряжения на элементе и температуры. Разработчикам следует учитывать это, выбирая ионистор с запасом по обоим параметрам, исходя из расчетного срока службы датчика.

Зарядка ионистора

Для источника энергии разряженный ионистор представляет собой короткозамкнутую нагрузку. К счастью, многие устройства сбора энергии, такие, например, как фотогальванические элементы и микрогенераторы, могут работать на нулевое сопротивление, а значит, способны заряжать ионистор с нуля. Если же источником энергии служит пезо- или термоэлектрический преобразователь, способностью выдерживать короткое замыкание по выходу должна обладать микросхема, стоящая между источником и ионистором.

Промышленность создала множество контроллеров MPPT (Maximum Power Point Tracking – слежение за точкой максимальной мощности), обеспечивающих максимально эффективное использование устройств сбора энергии. Но все они, являясь, по сути, специализированными DC/DC преобразователями, рассчитаны на заряд аккумуляторов постоянным напряжением [1].

Рисунок 2. Эту простую и эффективную схему заряда можно применять в тех случаях, когда напряжение холостого хода солнечной батареи не превышает допустимого напряжения ионистора.

Однако, в отличие от аккумулятора, ионистор наиболее эффективно заряжается не постоянным напряжением, а током, причем максимальным, т.е. всем, который только в состоянии отдать источник. На Рисунке 2 приведена схема простого и эффективного зарядного устройства, применимого в тех случаях, когда напряжение холостого хода солнечной батареи не выходит за границы, допустимые для ионистора. Диод предохраняет ионистор от разряда через солнечную батарею в темное время суток. Если напряжение холостого хода источника энергии превышает рабочее напряжение ионистора, для его защиты потребуется шунтовой регулятор напряжения (Рисунок 3). Шунтовой (параллельный) регулятор – самый простой и дешевый способ защиты ионистора от перегрузки по току. После того, как ионистор зарядится, энергия источника становится ненужной, и регулятор просто рассеивает ее в виде тепла.

Рисунок 3. Если напряжение холостого хода источника энергии превышает допустимое напряжение ионистора, для его защиты потребуется параллельный регулятор напряжения.

Устройство сбора энергии подобно шлангу с бесконечным источником воды, через который заполняется бочка, являющаяся аналогом ионистора. Если шланг не вынуть из бочки после ее заполнения, вода просто начнет переливаться через край. Это сравнение иллюстрирует еще одно принципиальное отличие ионистора от аккумулятора, энергетическая емкость которого ограничена, что требует точного управления зарядкой с помощью последовательного регулятора напряжения.

В изображенной на Рисунке 2 схеме в начальный момент напряжение на ионисторе равно 0 В, вследствие чего солнечная батарея закорочена. По мере заряда ионистора ток уменьшается в соответствии с вольтамперной характеристикой фотогальванического элемента. Ионистор всегда заряжается до максимально возможного уровня, так как забирает самый большой ток, который только способен отдать источник. В схеме на Рисунке 3 использована микросхема TLV3011, в которой помимо компаратора содержится источник опорного напряжения. Микросхема исключительно экономична, так как потребляет порядка 3 мкА и имеет открытый сток на выходе, при выключенном регуляторе представляющий собой обрыв. Диод Шоттки BAT54 выбран из-за низкого прямого падения напряжения при малых токах. Если прямой ток не превышает 10 мкА, напряжение на диоде не выйдет за пределы 0.1 В.

Рисунок 4. Вольтамперная характеристика микрогенератора очень похожа на характеристику фотогальванического элемента.

Микрогенераторы идеально подходят для промышленных приложений, в особенности таких, как контроль уровня вибраций вращающихся механизмов, которые, по определению, не могут не вибрировать при работе. На Рисунке 4 показана вольтамперная характеристика микрогенератора, весьма напоминающая характеристику фотогальванического элемента. Микрогенератор содержит диодный мост, не позволяющий ионистору разряжаться через генератор, что позволяет сделать схему заряда очень простой (Рисунок 5).

Рисунок 5. Микрогенератор содержит диодный мост, не позволяющий ионистору разряжаться через генератор, что позволяет сделать схему заряда очень простой.

Напряжение холостого хода 8.5 В заставило выбрать двухэлементные ионисторы HZ202 с рабочим напряжением 5.5 В. Шунтовой регулятор защищает ионистор от перенапряжения и, одновременно, выполняет функцию слаботочной схемы активной балансировки, гарантирующей равное распределение токов между элементами. Специально для заряда ионисторов в схемах сбора энергии Linear Technology выпускает микросхемы LT3652, LTC3108 и LTC3625, а Texas Instruments – BQ25504.

Ток утечки

Некоторые устройства сбора энергии выдают ток, измеряемый единицами микроампер, поэтому нельзя не принимать во внимание утечки ионисторов. Рисунок 6 показывает, что ионисторы могут иметь ток утечки менее 1 мкА, что позволяет использовать их в схемах извлечения энергии.

Рисунок 6. В установившемся режиме ток утечки ионисторов CAP-XX подчиняется эмпирическому правилу, согласно которому при комнатной температуре он составляет 1 мкА/Ф.

После зарядки ионистора ток утечки постепенно, по мере того, как ионы диффундируют в поры угольного электрода, снижается, стремясь к равновесному значению, зависящему от емкости, напряжения и времени. Ток утечки пропорционален емкости элемента и в установившемся режиме подчиняется эмпирическому правилу, согласно которому при комнатной температуре он составляет 1 мкА/Ф. Так, из Рисунка 6 мы видим, что ионисторы емкостью 150 мФ по истечении 160 часов имеют ток утечки 0.2 и 0.3 мкА. С ростом температуры ток утечки экспоненциально увеличивается. Время установления равновесного состояния при увеличении температуры уменьшается вследствие роста активности ионов. Таким образом, совершенно очевидно, что для возможности начала зарядки полностью разряженных ионисторов требуется определенный минимальный ток в диапазоне от 5 до 50 мкА. При выборе ионистора для устройства сбора энергии разработчики не должны забывать про этот очень важный параметр.

Балансировка элементов

Если в какой-то схеме напряжение превышает допустимое для ионисторной ячейки, составляя, скажем, 5 или 12 В, несколько элементов придется соединять в последовательную батарею. В этом случае потребуется схема балансировки ионисторных ячеек, без которой напряжения на элементах батареи будут различаться из-за некоторого разброса токов утечки и неодинакового характера их зависимости от напряжения. При последовательном включении токи утечки элементов должны быть одинаковыми, для чего ячейки стремятся соответствующим образом перераспределять заряды между собой. При этом напряжение на какой-то из них может выходить за разрешенные границы. Проблема будет усугубляться различиями в температуре и возрасте элементов. Простейшая схема балансировки получается при включении резистора, параллельно каждому элементу. В зависимости от тока утечки ионистора, типичное сопротивление этого резистора может быть от 1 до 50 кОм. Однако для большинства устройств сбора энергии ток, протекающий через резисторы балансировки, окажется недопустимо большим. Гораздо лучше подходит для таких приложений изображенная на Рисунке 7 слаботочная схема активной балансировки.

Рисунок 7. Такая слаботочная схема активной балансировки может использоваться в приложениях сбора энергии.

Для работы изображенного на схеме операционного усилителя MAX4470 с rail-to-rail входами и выходом требуется ток порядка 750 нА. Резистор R3 ограничивает выходной ток в случае короткого замыкания одной из ячеек. После 160 часов балансировки ионисторов HW207 вся схема потребляет от 2 до 3 мкА.

Температурные характеристики

Важнейшим преимуществом ионисторов в приложениях для сбора энергии является их широкий диапазон рабочих температур. Например, ионисторы могут использоваться с вибропреобразователями при отрицательных температурах или c солнечными панелями в ясный зимний день. В типичном случае ESR ионисторов при –30°C увеличивается в два-три раза по сравнению с ESR при комнатной температуре. Для сравнения, внутреннее сопротивление аккумуляторов при таких температурах может достигать нескольких килоом.

Подключение дополнительных аккумуляторов

В одних приложениях ионисторы могут служить альтернативой аккумуляторам, в других – средством их поддержки. В некоторых ситуациях ионистор не сможет запасать достаточное количество энергии, и потребуется использовать аккумулятор. Например, если источником энергии является солнце, необходимо устройство накопления, способное не только обеспечивать передатчик пиковой мощностью, но и поддерживать работу всей системы продолжительное время в течение ночи. Если требуемая пиковая мощность превышает максимальную мощность, которую в состоянии отдать аккумулятор, что типично, скажем, для вызовов GSM или для маломощных передатчиков, работающих при низкой температуре, решить проблему можно с помощью ионистора, заряжаемого от аккумулятора. Этим не только решается проблема энергетического баланса, но и увеличивается ресурс аккумулятора, степень разряда которого никогда не будет глубокой. Энергия запасается в ионисторах за счет физического накопления заряда, в отличие от аккумуляторов, работа которых основана на химических реакциях, поэтому количество циклов перезаряда ионисторов практически неограниченно.

Когда заряжаемый от аккумулятора ионистор используется как источник импульсной мощности, очень важно правильно оценивать и учитывать величину интервалов между пиками потребления тока. Если интервалы относительно малы, энергетически эффективнее держать ионистор в режиме постоянного заряда. При более редкой периодичности пиков целесообразнее заряжать ионистор непосредственно перед началом разряда. Этот интервал зависит от ряда факторов, включая величину заряда, накапливаемого ионистором до установления равновесного уровня тока утечки, характеристику саморазряда и пиковое потребление схемы. Но все это имеет смысл лишь в том случае, когда моменты максимального потребления тока известны заранее. Если же они наступают вследствие непредсказуемых событий, такие как отказ аккумулятора или внешнее воздействие, оптимизировать режим использования ионистора невозможно.

Ссылки

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник