Тестируем новые ионисторы: взорвутся или нет?23.11.2023 10:00

Волшебный дым (также «электронная фея» или «полупроводниковый джинн») — магический едкий дым, на котором работают все микросхемы в мире до тех пор пока не происходит чрезмерная электрическая нагрузка с перегревом, и волшебный дым гневно удаляется из микросхемы навсегда, после чего та перестаёт работать

Несколько месяцев назад мы опубликовали статью »1-Wire датчик QT18B20 — долгожданный аналог DS18B20 или очередная подделка? Исследуем в лаборатории», в которой расследовали забавный казус с китайскими датчиками температуры. Конечно, мы тестируем и другие компоненты, чтобы сделать продукты Wiren Board лучше или снизить себестоимость при сохранении качества. Прогресс не стоит на месте, наши поставщики оптимизируют свои техпроцессы, поэтому инженеры компании Wiren Board работают, не покладая рук.

Самыми интересными находками мы делимся с читателями. Так произошло и на сей раз, когда мы оценивали суперконденсаторы (ионисторы, EDLC) новых производителей. Несколько лет мы закупаем их у проверенного поставщика, в целом, довольны, хотя цены непрерывно росли. Но сейчас появились и другие производители, который предлагают ионисторы заметно дешевле. Мы смогли бы снизить себестоимость производства и дольше не повышать цены в нынешних реалиях.

Но как насчет качества и надежности? Как известно, скупой платит дважды. Поэтому было решено подвернуть ионисторы пристрастному тестированию.

Что такое суперконденсаторы и где мы их используем?

Мы используем суперконденсаторы для модулей резервного питания Wiren Board 7 WBMZ4-SUPERCAP внутри контроллеров. Конечно, для многих сценариев лучше подходят модули Wiren Board 7 WBMZ4-BATTERY на литий-ионных аккумуляторах, поскольку поддерживают автономную работу на протяжении двух часов. 

Суперконденсаторов хватает, в лучшем случае, на две минуты, зато они выдерживают температуры до -40 °C. Литий-ионные аккумуляторы для таких температур не приспособлены: схема зарядки не даёт их заряжать при температурах ниже нуля из-за опасности роста дендритов из металлического лития внутри с последующим коротким замыканием между электродами и спецэффектами. Заряжать аккумуляторы при большой температуре тоже нельзя.

Вторая причина использовать ионисторы вместо литий-ионных аккумуляторов — это их надёжность. Суперконденсаторы выдерживают буквально миллионы циклов заряда-разряда, а их режим отказа даже в самом катастрофическом случае не сравнится по опасности с последствиями отказа литий-ионных аккумуляторов.

Подробнее об ионисторах можно почитать в вики, по характеристикам они занимают промежуточное положение между конденсатором и химическим источником тока. 

Мы используем два ионистора емкостью по 50 Ф.

Чем хорошие ионисторы отличаются от плохих?

У ионистора, как и у любого конденсатора, два основных параметра: ёмкость и номинальное напряжение. Вместе они определяют количество запасаемой энергии и, соответственно, продолжительность работы оборудования, которое питают ионисторы. Именно на эти параметры мы смотрим в первую очередь, подбирая аналоги. Но есть масса других параметров, которые прямо влияют на эксплуатационные характеристики изделия. 

Например, внутреннее сопротивление характеризует потери энергии при заряде и разряде и максимальный импульсный ток, который можно забрать. У хорошего ионистора сопротивление будет меньше, чем у плохого.

Температурный диапазон работы — температуры, при которых ионисторы сохраняют свои характеристики. Как минимум, он не должен быть уже температурного диапазона эксплуатации устройства, в которое ионисторы устанавливаются. И чем он шире, тем лучше.

Ток саморазряда всегда течёт внутри ионистора и постепенно его разряжает: чем меньше ток, тем лучше компонент.

Срок службы — время, в течение которого характеристики ионистора ухудшаются, но остаются в приемлемых рамках (например, порогом может служить потеря 30% ёмкости). Может измеряться в циклах заряда-разряда или в часах, которые проводит ионистор при определённых условиях (например, заряжен до 3,0 В при температуре +65°C). Чем больше срок службы, тем лучше ионистор. Чем тяжелее условия выдерживает ионистор при равном сроке службы, тем он лучше.

Конечно, эти параметры присутствуют в документации. Но всегда интересно, как ионисторы покажут себя на практике. Какие характеристики мы получим? Какие из них выбрать, чтобы отделить хорошие суперконденсаторы от плохих?

Методика тестов

Мы измерили емкость всех суперконденсаторов — она оказалась равной заявленной. Но как поведут себя ионисторы через несколько лет?

Мы решили ответить на этот вопрос с помощью методики ускоренного старения. Мы выбрали популярную методику выдерживания устройства длительное время на высоких температурах и напряжениях, выходящих за предельный рабочий уровень.

Судя по исследованиям производителя ионисторов VinaTech (данные из внутренней презентации), повышение температуры на каждые 10 °C в два раза сокращает срок службы ионисторов. Это всего лишь закон Аррениуса, который связывает скорость химических реакций с температурой, а за старением, видимо, стоят химические причины.

Зависимость от напряжения аналогичная: повышение напряжения на каждые 0,2 В в два раза сокращает срок службы, уменьшение на 0,2 В — в два раза увеличивает срок службы.

Производитель заявляет предельные рабочие напряжения отдельно для разных температур: 65 °C при 3,0 В либо 85°C при 2,4 В. Для наших моделей максимальное время жизни по даташиту — 10.000 часов, а максимальное допустимое падение ёмкости — 30%. Удивительным образом, в точках 65 °C/ 3,0 В и в 85 °C/ 2,4 В время жизни (до падения ёмкости в 30%) из таблиц производителя как раз составляет примерно 10.000 часов.  

Написанное выше позволило обосновать методику ускоренного тестирования: за пределами заявленных характеристик мы ждём уменьшения времени работы (в два раза на каждые 10 градусов и 0,2 вольта).

Тесты проводили следующим образом.

К ионисторам припаяли провода (минус — общий для всех, плюс — отдельный для каждого ионистора, чтобы была возможность подключать их по одному). Провода взяли большого сечения и одинаковой длины, чтобы их сопротивление минимально сказывалось на измерениях внутреннего сопротивления ионисторов. Конечно, сопротивление проводов было учтено в расчётах. Сами ионисторы разместили в климатической камере, а провода вывели наружу. Снаружи разместили оборудование: лабораторный источник питания, электронную нагрузку, осциллограф, точный вольтметр.

Приборы: электронная нагрузка, лабораторный источник питания, осциллограф. На осциллографе показан процесс измерения ёмкости ионистора: видны разрядная кривая и курсоры для измерения разностей напряжения и момента времени

Дополнительные фото

Первым делом измерили ёмкость и внутреннее сопротивление каждого ионистора при разных температурах. Внутреннее сопротивление рассчитывали по «провалу» напряжения в момент начала разряда током 2 А (в момент включения нагрузки напряжение на ионисторе резко проседает на значение,   равное произведению разрядного тока на внутреннее сопротивление ионистора). Для измерения ёмкости ионистор сначала заряжали до напряжения 3 В, затем разряжали током в 2 А и засекали время, за которое напряжение на ионисторе уменьшится от 2,5 В до 0,5 В (что примерно соответствует режиму работы ионисторов в модуле WBMZ4-SUPERCAP). При таком режиме ёмкость в фарадах численно равна измеренному времени в секундах.

Затем ввели ионисторы в режим ускоренного старения, выставив в климатической камере нужную температуру. Для оценки хода процесса периодически измеряли ёмкость ионисторов. Поскольку нам на этом этапе не были важны различия между отдельными компонентами, мы во время измерения ёмкости оставляли ионисторы соединёнными параллельно, таким образом, измеряя их суммарную ёмкость. Мы ждали такого падения ёмкости, которое позволит увидеть различия между отдельными компонентами (то есть не менее 15%). 

Наконец, уже при нормальной температуре мы измеряли ёмкость и внутреннее сопротивление каждого ионистора и сравнивали с первоначальным их состоянием, а также между собой.

Первый опыт

Мы решили поднять оба параметра (температуру и напряжение), чтобы максимально быстро «убить» ионисторы. Мы выдерживали их неделю в термокамере по восемь часов в день при температуре 105 °C с напряжением 3,2 В.

У всех ионисторов измеряли емкость и внутреннее сопротивление. В один момент у ионисторов резко ухудшились характеристики, причем и у старых (производитель А), и у новых (производитель B). Когда мы заглянули в термокамеру, то обнаружили лопнувшие суперкапы.

Лопнувшие в первом опыте суперкапы

Лопнувшие в первом опыте суперкапы

Из-за высокой температуры в камере и дополнительного разогрева суперкапов токами утечки, происходящими от повышенного напряжения и высокой температуры, электролит начал кипеть; образовавшееся внутри суперкапов давление вскрыло их по специально предусмотренным насечкам крышки корпуса. Электролит частично вытек наружу и высох.

Вместо ускоренного старения по тем же механизмам, по которым происходит старение обычное, мы получили катастрофический выход из строя по совершенно другому механизму.

Второй опыт

Мы уменьшили температуру до 85 °C и понизили напряжение до 3,0 В. Суперконденсаторы проработали уже почти две рабочие недели по восемь часов в день.

Тесты были завершены, когда емкость в горячем состоянии уменьшилась на 15%, что соответствовало снижению на 27% в холодном состоянии. Затем характеристики всех ионисторов были измерены отдельно, а именно — ёмкость и внутреннее сопротивление.

Ионисторы производителя А не лопнули, но вспухли. То же самое мы получили и для производителя B, но здесь был как сильно вспухший образец, так и почти не изменившийся.

Ионисторы после второго опыта. Донца приподнялись, но не лопнули

Результаты успешного второго опыта мы свели в таблицу

Желтым цветом в таблице отмечены ионисторы фирмы Vinatech, которые мы используем сейчас. 

Из 10-фарадных ионисторов показал себя наилучшим образом первый образец. Несмотря на то, что его внутреннее сопротивление изначально было вдвое выше, чем у используемых нами сейчас ионисторов, он лучше перенёс ускоренное старение: у него меньше упала ёмкость и меньше выросло сопротивление, став в результате лучше, чем у Vinatech, и в относительных, и в абсолютных значениях.

50-фарадные ионисторы лучше выдержали испытание, меньше потеряв в ёмкости и меньше увеличив внутреннее сопротивление, чем их младшие собратья. При этом новому образцу не удалось догнать Vinatech (хотя отметим, что внутреннее сопротивление четвёртого образца в относительных цифрах выросло существенно меньше, чем у Vinatech).

Проанализировав результаты опытов, мы пришли к выводу, что первый образец однозначно можно рекомендовать к применению вместо ионисторов фирмы Vinatech, а что касается больших 50-фарадных ионисторов, то здесь обе модели показали себя хорошо и могут быть использованы в WBMZ4-SUPERCAP.

Ради интереса мы решили построить график падения ёмкости от времени (время пересчитали исходя из повышенного напряжения и температуры в нашем эксперименте) и сравнить с графиком от Vinatech.

Наш график

График Vinatech

Красивое экспоненциальное падение на графике мы не увидели. Видимо, наши условия были слишком экстремальными (об этом говорят деформированные корпуса ионисторов и резкое падение общей ёмкости после завершения эксперимента и остывания ионисторов). А может, какие-то точки в презентации Vinatech были получены интерполяцией, а не прямым измерением. В любом случае, свою задачу мы успешно выполнили — сравнили характеристики новых образцов и используемых нами моделей ионисторов за относительно небольшое время.

Заключение

Мы постоянно тестируем новые компоненты от различных вендоров — это помогает сделать наши продукты лучше или снизить себестоимость, чтобы дольше не повышать розничные цены. Поэтому с интересом отнеслись к появлению в продаже новых ионисторов с устраивающими нас характеристиками.

Было решено протестировать ионисторы в лаборатории по методике ускоренного старения. Как показали результаты тестов, две модели ионисторов прошли наш контроль качества и будут использоваться в будущих продуктах Wiren Board.

Пишите в комментариях, что еще вы бы хотели узнать из внутренней кухни Wiren Board. Про какие компоненты вам интересно узнать?

© Habrahabr.ru