Автомобильные конденсаторы для аккумуляторов

Как выбрать автомобильный конденсатор

Что такое автомобильный конденсатор и зачем он нужен?

Под автомобильным конденсатором сегодня принято понимать электролитический конденсатор, подключенный к автомобильному усилителю звука (или непосредственно к магнитоле) параллельно питающим проводам. Но зачем он нужен?

Для защиты от сетевых помех конденсаторы используются часто.

1. Фильтрация помех питающей сети. Конденсаторы в качестве простейшего, но, в то же время, довольно эффективного фильтра помех питающей сети используются давно – их наверняка замечал каждый, кому случалось заглядывать внутрь электронных устройств. Конденсатор заряжается напряжением питающей сети и при резком падении напряжения возмещает просадку, возвращая в сеть накопленный заряд. Обычно качественные автомобильные усилители имеют собственную защиту от просадок напряжения, но если вы слышите из динамиков посторонние звуки при включении элементов автоэлектрики (вентилятора, дворников, фар и пр.), конденсатор может помочь. И еще – вне зависимости от того, где в автомобильной сети установлен конденсатор, он будет поддерживать напряжение всей сети, а не только усилителя. Поэтому, если при работе аудиосистемы у вас мерцают фары, то после установки конденсатора мерцать они перестанут (будут гореть вполнакала). Другое дело, что сильные (до мерцания фар) просадки при работе аудиосистемы явно сигнализируют о нехватке мощности генератора и АКБ. Эту проблему установка конденсатора не решит – он является не источником, а потребителем энергии, и в случае нехватки питания проблему скорее усугубит.

2. Поддержка питания магнитолы при пиковых нагрузках, например, при проигрывании басов. Здесь возможны два варианта:

2.1. На аудиосистему приходит недостаточно мощности. Причины могут быть разные: севшая батарея, слабый генератор, провода питания недостаточной толщины и пр.

Как это выглядит в теории.

В этом случае при установке конденсатора (вплотную к усилителю), теоретически, можно получить некоторый прирост громкости звука без искажений – при условии, что чрезмерные нагрузки будут кратковременны (не более долей секунд) и перемежаться не меньшими по продолжительности периодами уменьшенной нагрузки (чтобы конденсатор мог восстановить заряд).

И как чаще всего бывает на практике.

Но реальная музыка таким требованиям соответствовать не может – басы в композициях редко звучат меньше нескольких секунд. Поэтому практически никакого заметного эффекта не будет – вряд ли можно назвать улучшением качества звука то, что динамик начнет хрипеть на треть секунды позже обычного.

2.2. Мощности достаточно, но аккумулятор не успевает «отдать» требуемый ток. Как известно, при появлении потребителя, ток разряда АКБ устанавливается не мгновенно; и время его установки зависит от характеристик аккумулятора — в первую очередь от внутреннего сопротивления (если точнее, то от реактивной составляющей внутреннего сопротивления). И если внутреннее сопротивление АКБ велико, то при резком возрастании нагрузки требуемый ток она даст с некоторой задержкой, небольшой, но искажения звука в этот момент уже могут быть заметны.

Схема подключения конденсатора к цепи питания усилителя.

Действительно, в этом случае установка конденсатора может оказаться приемлемой альтернативой замене аккумулятора. Полностью проблему это не решит, но фронты басов, к примеру, может сгладить.

Это — не конденсатор.

В последнее время на полках автомагазинов появились «конденсаторы», отличающиеся огромной (до сотен и даже тысяч Фарад) емкостью, но при этом имеющие скромные размеры и весьма привлекательную цену. Это не конденсаторы, это – ионисторы. Смысла в их подключении к усилителю немного – да, они имеют заявленную емкость, но от конденсаторов ионисторы отличаются высоким внутренним сопротивлением (ESR), низким максимальным током разряда и низкой скоростью установки отдаваемого тока. Существуют ионисторы с низким ESR, близкие по характеристикам к конденсаторам, но они намного дороже.

Характеристики автомобильных конденсаторов.

Емкость– основной параметр конденсатора. Встречающееся порой требование, что емкость конденсатора (в Фарадах) должна быть равна мощности аудиосистемы в киловаттах, вызывает недоумение у всякого, знакомого с электроникой. Чем больше емкость конденсатора, тем дольше он сможет поддерживать «просадку» питающей сети. Для фильтрации помех 0,5 Ф хватит с большим избытком. Для поддержки питания магнитолы при пиковых нагрузках требуемая емкость зависит от характера этих нагрузок – для одних и 0,5 Ф будет достаточно, для других – и 10 не хватит. Можно остановиться на следующем алгоритме подбора: приобрести модель с небольшой (0,5 Ф) емкостью, но обязательно с вольтметроми индикатором заряда. Во время работы аудиосистемы следить за индикатором заряда и показаниями вольтметра – если на максимальной громкости аудиосистемы индикатор заряда тускнеет, но не гаснет, а напряжение не падает ниже минимального, то конденсатор со своей работой справляется.

Схема подключения дополнительного конденсатора.

Если же индикатор периодически гаснет на небольшое время (до 1-2 с), а напряжение падает, то потребуется добавить в цепь еще один конденсатор параллельно к уже установленному. Если же индикатор гаснет на продолжительное время, это значит, что аудиосистеме не хватает мощности, и установкой конденсаторов эту проблему не решить.

ESR(Equivalent Series Resistance – Эквивалентное Последовательное Сопротивление) – параметр, определяющий максимальный ток разряда. Устанавливаемые в автомобильную аудиосистему конденсаторы должны иметь ESR не более 10 мОм. В принципе, под это требование подойдет любой электролитический конденсатор, но это не значит, что этот параметр можно игнорировать – по нему можно однозначно выяснить, ионистор перед вами или конденсатор. Особенно важно обратить внимание на ESR при выборе компактного конденсатора очень высокой (в десятки и сотни Фарад) емкости. И следует отнестись к нему с большим подозрением, если для него производителем ESR не указан.

Небесполезной опцией будет наличие вольтметрана корпусе конденсатора – он позволит визуально контролировать напряжение на усилителе, отмечать просадки, их величину и продолжительность. На основании наблюдений за вольтметром и индикатором заряда можно делать выводы о достаточной эффективности конденсатора или о необходимости установки дополнительного конденсатора большей емкости.

Нелишне будет выяснить, есть ли у конденсатора зарядное устройство (зарядная схема), ограничивающая зарядный ток. Из-за низкого внутреннего сопротивления конденсатор во время зарядки берет ток, практический равный току короткого замыкания – это может повредить контакты цепи питания и расположенные «по дороге» электронные компоненты. Если зарядной схемы у конденсатора нет, первую его зарядку следует производить через нагрузку – например, через 12-вольтовую лампочку, подключив её последовательно к конденсатору.

Источник

Конденсатор вместо аккумулятора в авто: можно ли заменить?

Производители вполне серьезно рассматривают замену аккумулятора суперконденсатором или двойным электрохимическим ионистером. Вопрос прорабатывается инженерами и даже когда-то применялся в практических целях. Сейчас использование такого устройства ограничено в областях применения техническим прогрессом. Так можно ли заменить АКБ автомобиля конденсатором? При каких условиях? На это и многое другое дадим ответы в нашей статье.

Плюсы и минусы конденсатора по сравнению с аккумулятором

АКБ и конденсатор — это устройства, которые накапливают электричество от генератора тока, отдают при необходимости, например, для запуска автомобиля. Каковы же достоинства, недостатки конденсатора по сравнению с аккумулятором?

1. Ионистер отдает пиковый ток практически мгновенно.
2. Заряжается суперконденсатор буквально за секунды. Недаром NASA использует их в космическом пространстве.
3. Безопаснее жидкостного аккумулятора. В отличие от литиевых, свинцовых батарей, заряд накапливается на твердом теле.
4. Надежно и долговечно. Конденсаторы позволяют производить до миллиона перезарядок. Вместо 1—2 тысяч у электрохимических батарейных АКБ.
5. Эффективность отдачи энергии 98 %.
6. Ионистеры устойчивы к экстремально низким или высоким температурам, механическим повреждениям.

Недостатки в сравнении с АКБ:

1. Большой коммерческий суперконденсатор накапливает лишь 20 % от энергии АКБ похожего размера.
2. Малая плотность энергии на единицу массы.
3. Низкая автономность без внешнего питания.
4. Высокая скорость саморазряда.
5. Самый мощный ионистер не сможет питать бортовую сеть даже в течение нескольких минут.

Почему конденсатор редко используют вместо аккумулятора

Есть одно серьезное препятствие на пути использования этого средства запуска. Конденсаторы «не держат заряд».

У аккумулятора и конденсатора изначально разные цели использования. АКБ должен как можно более длительное время не разряжаться, выдавая энергию по частям. Если по какой-то причине генератор выйдет из строя, то аккумулятор позволит проехать машине около получаса. То есть она гарантированно доберется до дома или СТО. С ионистерами этот фокус не пройдет.

Разряд конденсатора будет постоянным из-за утечек, работы элементов бортовой сети даже при ожидании.

Величина напряжения у аккумулятора практически неизменна при полностью заряженном и полуразряженном состоянии. Кондер меняет напряжение от силы заряда. Иногда в очень широких пределах, что вредно для бортовой электроники.

Как заменить

Заменить АКБ как стартовое устройство, реально. Берем суперконденсаторы БУ Maxwell 1200F. Сборка из 6 штук по 200 фарад каждый, 2,7 вольт на один конденсатор.

Общий вольтаж системы — 16,2 вольт.

1. Срок службы около от 10 лет гарантированно.
2. Миллион циклов перезарядки.
3. Ток максимальный — 930 А.
4. Температура работы от -45 до +65 градусов.

За сутки напряжение на заряженном устройстве снижается с 14,7 вольт до 12,3 вольт. Потом разряжается все медленнее и через 6 месяцев остается 9 вольт.

При установке на Хонду Фит одного такого устройства без аккумулятора, заряженного до 14,5 вольт, конденсатора хватает на 3 ч. После этого напряжение падает до 11,5 единиц. Если установить автозапуск по падению напряжения, автомобиль автоматически запустится и генератор зарядит конденсатор.

Гибридная связка менее мощного аккумулятора с конденсаторной сборкой будет крутить стартер бодрее при низких температурах.

Использование суперконденсаторов позволит запустить машину даже с «дохлым» АКБ. Поддержание заряда суперконденсаторов не требует мощного аккумулятора. Если кондеры подключить параллельно с АКБ автомобиля, то срок службы аккумулятора возрастет многократно. Токовый удар сгладится.

Источник

Суперконденсатор вместо аккумулятора

Электричество играет большую роль в нашей жизни сегодня. В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили, работающие на ископаемом топливе, и отопление дома также должны будут перейти на электроэнергию, если мы не хотим катастрофических изменений климата.

Батарея суперконденсаторов Maxwell для автомобилей

Электричество является очень универсальной формой энергии, но у нее есть один большой недостаток: ее относительно сложно хранить в нужном количестве. Аккумуляторы могут хранить большое количество энергии, но они заряжаются часами. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но накапливают лишь незначительное количество энергии. В нашем будущем с электропитанием, когда нам нужно очень быстро накапливать и также быстро отдавать большое количество электроэнергии, вполне вероятно, что мы обратимся к суперконденсаторам (ультраконденсаторы), которые сочетают в себе все эти возможности.

Что такое суперкоденсаторы и как они работают

Как можно хранить электрический заряд? Обычная цинко – углеродная батарея заряжается электроэнергией на заводе и может быть использована только один раз, после чего ее можно будет только выбросить. Батареи, подобные этой, дороги в использовании и вредны для окружающей среды – миллиарды во всем мире выбрасываются каждый год.

Аккумуляторы и конденсаторы выполняют аналогичную работу – накапливают электричество – но совершенно другими способами. Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом, называемым электролитом. Когда вы включаете питание, происходят химические реакции с участием, как электродов, так и электролита.

Обычная батарейка

В результате химической реакции на электродах выделяются положительные и отрицательные заряды. Когда все химические вещества истощаются, реакция прекращается, и батарея разряжается. В перезаряжаемом аккумуляторе, таком как литий-ионный блок питания, используемый в ноутбуке или MP3-плеере, реакции могут протекать в любом направлении, так что вы можете заряжать и разряжать сотни раз, прежде чем аккумулятор износится.

Обычный слюдяной конденсатор

Такой конденсатор накапливает столько же энергии, сколько батарея, но может заряжаться и разряжаться мгновенно, практически любое количество раз. В отличие от батареи положительные и отрицательные заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никакие химические реакции не участвуют.

Небольшой обычный конденсатор

Конденсаторы используют статическое электричество (электростатику), а не химию для хранения энергии. Внутри конденсатора находятся две проводящие металлические пластины с изоляционным материалом, называемым диэлектриком, между ними – это диэлектрический бутерброд, если так можно сказать. Зарядка конденсатора – это накопление зарядов на пластинах.

Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, которые изолируются, чтобы препятствовать их контакту, благодаря такому разделению пластин сохраняется энергия. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера накапливать больше заряда при данном напряжении, поэтому можно сказать, что он делает конденсатор более эффективным в качестве устройства хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они весят меньше, обычно не содержат вредных химикатов или токсичных металлов, и их можно заряжать и разряжать миллионы раз и не изнашиваются. Но у них также есть большой недостаток: конструкция конденсаторов не позволяет им сохранять такое же количество электрической энергии как в батареях. Что можно сделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию, которую накопит конденсатор, либо используя лучший материал для диэлектрика, либо используя большие металлические пластины.

Чтобы сохранить значительное количество энергии, вам нужно использовать колоссальные пластины. Например, грозовые облака – это супергигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии – и мы все знаем, насколько они велики! А как насчет увеличения емкости конденсаторов путем улучшения диэлектрического материала между пластинами? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторов в середине 20-го века.

Преимущества и недостатки аккумуляторов и конденсаторов

Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши в хранении большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор? Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора в двух важных направлениях: его пластина имеет гораздо большую эффективность площадь, а расстояние между ними много меньше, потому что разделитель между ними работает по-другому принципу отличного от обычного диэлектрика. Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются взаимозаменяемо, существует различие: они обычно изготавливаются из разных материалов и структурируются немного по-разному, поэтому они хранят разное количество энергии. Для целей простого понимания мы предположим, что это одно и то же.

Как обычный конденсатор, суперконденсатор имеет две разделенные пластины. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, который эффективно дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда. Представьте себе, что электричество – это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вобрать небольшое количество воды, пористые пластины суперконденсатора делают больше похожими на кусочек губки, которая может впитывать воды во много раз больше. Пористые суперконденсаторные пластины – это губки впитывающие электричество.

Какой разделитель установлен между пластинами

В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как настраиваемый диск внутри радиоприемника). Когда конденсатор заряжается, положительные заряды образуются на одной пластине, а отрицательные – на другой, создавая электрическое поле между ними. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в направлении, противоположном полю, и уменьшают его прочность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при данном напряжении. Что показано на рисунке, который вы видите ниже.

Работа обычного конденсатора

Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, который называется диэлектриком (серый). Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их выравниваться противоположно полю. Это уменьшает напряженность поля и позволяет конденсатору хранить больше заряда для данного напряжения.

Работа суперконденсатора

Суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий, «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых, обычно углеродных материалов, пропитанных электролитом. Пластины имеют большую эффективную площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность сохранять гораздо больший заряд.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, на каждой стороне сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый электрический двойной слой, толщиной всего в одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).

Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC). Если вы посмотрите на нижний рисунок, то увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. В двух словах, суперконденсаторы получают гораздо большую емкость, благодаря комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшего расстояния между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, изготовленных из таких материалов, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологий ), графен, аэрогель и титанат бария.

Сравнение суперконденсаторов с батареями и обычными конденсаторами

Суперконденсаторы могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Вот беспроводная дрель с питанием от банок суперконденсаторов, также они используются в космосе (разработка НАСА). Большим преимуществом по сравнению с обычной длительной зарядкой является то, что его можно заряжать за считанные секунды, а не часы.

Базовая единица электрической емкости называется фарадом (F), названным в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в схемах электроники хранят только незначительное количество электричества (обычно оцениваемое в единицах, называемых микрофарадами (миллионные доли фарада), нанофарадами (миллиардные доли фарада) или пикофарадами (триллионные доли фарада).

В отличие от этого, обычный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, в миллионы или даже в миллиарды раз больше(оценивается в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies, имеют емкости, оцениваемые до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) от электрической энергия, которую вы можете упаковать в батарею.

Но большое преимущество суперконденсатора заключается в том, что он может накапливать и высвобождать энергию практически мгновенно – гораздо быстрее, чем батарея. Это потому, что суперконденсатор работает, накапливая статические электрические заряды на твердых телах, в то время как батарея зависит от зарядов, которые производятся медленно в результате химических реакций, часто с участием жидкостей.

Обычные батареи и суперконденсаторы различаются величиной энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова взаимозаменяемы; в науке мощность – это количество энергии, использованной или произведенной за определенное время. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они накапливают больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию быстрее).

Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и высвобождения большого количества энергии, но батареи по-прежнему важны для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени. Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольт), они могут быть подключены последовательно (например в батареи) для получения больших напряжений, для использования в более мощном варианте.

Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, их теоретически можно заряжать и разряжать любое количество раз (технические характеристики коммерческих суперконденсаторов предполагают, что вы можете циклически повторять их, возможно, миллион раз). Они имеют небольшое внутреннее сопротивление или вообще не имеют его, что означает, что они накапливают и выделяют энергию без затрат большого количества энергии – и работают с эффективностью, близкой к 100% (обычно 97–98%).

Для чего используются суперконденсаторы

Если вам нужно хранить большое количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии затрачивается на хранение в конденсаторе, и у вас нет времени для зарядки аккумулятора, суперконденсатор может быть как раз то, что вам нужно.

Электрическая дрель с питанием от ультраконденсаторов

Суперконденсаторы широко используются в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах – «резервуаров энергии», которые сглаживают источники питания для электрического и электронного оборудования. Суперконденсаторы также могут быть подключены к батареям для регулирования мощности, которую они отдают.

Суперконденсатор от автобуса, разработанный НАСА

Суперконденсаторы используются в регенеративных тормозах, широко используются в электромобилях. Одно из распространенных применений – ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, создаваемую ветром. В электрических и гибридных транспортных средствах суперконденсаторы все чаще используются в качестве временных накопителей энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно теряет при остановке, кратковременно накапливается и затем используется повторно, когда он снова начинает движение).

Источник