Как проверить ионисторы тестером

Но, буквально неожиданно на днях я заметил что регистратор «потух» и более не включается!
Как так-то?! ��‍♂️
Варианта было 2:
— 1 это от тряски отлетела пайка провода, где он припаян вплотную к плате вместо коннектора шлейфа.
(что мало вероятно, я пайки и начало провода залил прозрачным клеем В-7000)
— 2 возможно перегрев процессора и выход его из строя или отвал BGA шаров по ним.
(потому как у меня регик работает 24/7 и в режиме парковки под палящем солнцем)

Долго не думая я дома вскрыл регик и на моё удивление первый вариант отпал сразу, потому как провода шлейфа были на местах и без повреждений тряски.
Но на что я конкретно обратил внимание, так это на СуперКонденсаторы!
Ну или как их ещё называют — Ионисторы.
Они были в ужасном, оплавленном виде!

Судя по всему они сильно нагревались и оболочка пластика растрескалась.

Вопрос кто их нагрел так? Процессор?
Но когда отогнул эти суперконденсаторы, то по проложенной вспененной прокладки изоляции, стало всё понятно откуда шёл жар)

Прокладка реально поплавилась, но оплавление было со стороны ионистора.
А это означает, что нагрев был не от процессора, а нагревались именно сами ионисторы.

Причём аварийные клапаны этих суперконденсаторов даже не набухли, странно.

Вообще на самом деле ионисторы не должны нагреваться, и если ионистор греется, то он неисправен.
И такой ионистор нужно менять!

Я взял тестер (мультиметр) и начал их прозванивать.
Тот что ближе к матрице камеры — был в обрыве. Видимо последний нагрев был его последний.
Второй показывал какое-то внутреннее, изменяющее сопротивление, как у конденсатора.

Как правило многие регистраторы не включаются без ионисторов или аккумуляторов.
Так и в моём случае случилось. Ведь в обрыве был один из них и из-за него и получился разрыв электрической цепи.
Если бы у меня были новые такие Ионисторы, то я бы их сразу заменил на новые, но у меня их нет!

Я долго не думая выкусил погоревшего виновника, заменив его банальной перемычкой для пробного включения. (перемкнул остатки выводов этого ионистора)
Да, просто Ионисторы чаще всего применяются в последовательном подключении из-за своего низкого напряжения 2.7в, как и в этом случае.

Ну и пошёл на испытания))
Регистратор успешно включился ��

Да, я знаю что так делать нельзя!
И вам не советую!
Потому как Ионисторы там находятся в последовательном соединении и при таком соединении их ёмкость становится в 2 раза меньше, а НАПРЯЖЕНИЕ складывается!
Т.е. как я ранее писал, что ионисторы бывают только на 2,7вольта,
то чтоб их применить вместо аккумуляторов на напряжение 4-5 вольт, их устанавливают последовательно.
Тем самым из двух ионисторов (10F — 2,7v) мы получаем общую связку -> (5F — 5,4v)

А так как я один ионистор перекоротил, то на второй ионистор пошли все 4-5 вольт!
И это недопустимо для ионистора!
Чаще всего ионисторы от передоза напряжения просто мрут.
Но нам второго не жалко, я думаю он от нагрева соседнего и так пострадал и его тоже надо менять.

Ионисторы нужно было где-то срочно купить, Алиэкспресс тут реально не подходил потому как 1-2 месяца ездить без регика не хотелось.
Нашёл что-то похожее на озон, но там не было ёмкости 10F
Пришлось купить на 15F и на 7F пару штук. (лишние в хозяйстве пригодятся)

Ну а пока с региком я решил рискнуть и покататься «в тестовом режиме»
Бахнет так бахнет, рисковать так рисковать))
Конденсаторы от перенапряжения (специально) в детстве взрывал, прикольный серпантин вылетал))
А вот ионисторы ни разу))

Катался я с ним дней 5, даже на дачу успел съездить))
Не бахнул))
Повезло.

СуперКонденсаторы пришли и я дома сразу их начал тестить, отбирая лучшие.
Заряжал их напряжением 2,5 вольта.

И разряжал на электронной нагрузке током 0,3 ампера.
Бракованных не попалось и это радует))

Изначально рассчитывал применить два ионистора по 15F дабы получить большую ёмкость.
Но увы не влезли.

Ставить два по 7F получается мало по ёмкости — всего 3,5F

Было решено поставить последовательно 7F и 15F
Отлично влезли.

И такая общая ёмкость уже высчитывается по формуле (когда разные номиналы)

7х15 / (7+15) = 4.77F
… ну почти 5.
— потянет.

Короче впаял я их согласно полярности, напялил на выводы изоляционные трубки,
а так же решил обернуть термоскотчем чтоб они не получали тепло от радиатора самого процессора.

Многие могут сказать зачем? Ведь если будут греться ионисторы, то пускай тепло отдают, а скотч наоборот тепло не пропускает.
Может я не прав и поправьте меня в комментариях, но ионисторы априори не должны греться))
И если ионистор греется, — то он неисправен.
А вот посторонний нагрев от того же радиатора, ионисторам может не понравиться.

Регистратор собран и теперь чувствует себя прекрасно.
Надеюсь это последняя его поломка)))

Тестируем новые ионисторы: взорвутся или нет?

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.

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.

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.

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.

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?

12. Руководство по тестированию ионисторов

Фирма Maxwell Technologies проверяет свои ионисторы непосредственно с использованием цикла зарядки/разрядки постоянным током. Для того чтобы потребитель мог оценить прибор перед проверкой в рабочих условиях, может быть полезен тест на разрядку постоянным током.

Все конденсаторы из соображений безопасности хранятся разряженными.

Мы рекомендуем разряжать любой конденсатор, который не установлен в оборудование, и надевать закорачивающий кусочек провода на его выводы.

Ниже перечислено оборудование, необходимое для выполнения типичного теста на разрядку постоянным током:

♦ двунаправленный источник питания (питание/нагрузка) или отдельный источник питания и программируемая нагрузка (способная работать по постоянному току);

♦ прибор, позволяющий проводить измерения изменения напряжения во времени и хранить результаты (цифровой осциллограф или другое аналогичное оборудование);

♦ прибор, позволяющий проводить измерения колебаний тока во времени и хранить результаты (не обязателен, если вы уверены в установках источника питания и нагрузки).

Перед началом тестирования подключите оборудование сбора данных к выводам прибора и установите максимальную скорость регистрации данных (желательно, меньше 100 мс, чем быстрее регистрирует прибор, тем выше точность вычислений).

Подготовка

1. Установите необходимые предельные значения напряжения и тока источника питания и выключите питание.

2. Максимальный ток должен быть равен или меньше максимального тока испытываемого прибора. Maxwell обычно проводит тестирование своих элементов при величине токе 20–50 % от максимального, в зависимости от размера элемента. Если проводятся несколько тестов, необходимо обеспечить подачу воздуха для охлаждения.

3. Предельное напряжение должны быть равно максимальному напряжению ячейки, умноженному на количество последовательно включенных ячеек. Напряжение на одной ячейке должно быть не более 2,5 В. Шесть (например) последовательно включенных ячеек можно проверять при любом напряжении до 15 В (6 х 2,5 В = 15 В).

4. Подключите ионистор к источнику питания (после установки предельных значений тока и напряжения).

5. В зависимости от тока и длительности работы для поддержания температуры в допустимых для прибора пределах может потребоваться воздушное охлаждение.

6. Подключите приборы измерения напряжения и тока.

Заряд

1. Когда выполнены установки источника питания и ионистор подключен, включите источник питания.

2. Заряжайте конденсатор соответствующим током до достижения необходимого напряжения.

Разряд

1. Замечание. Если вы используете отдельную программируемую нагрузку вместо источника зарядного и разрядного тока, перед разрядом отключите источник от проверяемых ионисторов. (Недостаточно просто выключить его или установить на 0, поскольку у многих источников имеет место ток утечки.)

2. Установите нагрузку на соответствующее значение тока а разряд на 0,1 В, или насколько возможно низко.

3. НЕМЕДЛЕННО отключите нагрузку, как только будет достигнут минимум напряжения, позволяя при измерении исключить падение напряжения на внутреннем сопротивлении.

4. (Разряд можно остановить при любом напряжении. Maxwell, в зависимости от конкретного прибора, измеряет одни устройства при разряде до 0,1 В, другие — до половины начального напряжения. Величина емкости будут несколько выше при разряде до половины исходного напряжения, чем при разряде до 0,1 В.)

5. Измерьте следующие параметры:

— V_w —» исходное рабочее напряжение;

— V_min — минимальное напряжение с нагрузкой;

— I_d — ток разряда;

— V_f — напряжение через 5 с после снятия нагрузки;

— t_d — время разряда от исходного напряжения до минимального напряжения.

Емкость = (I_d х t_d)/(V_w — V_j) = (I_d x t_d)/V_d

Это изменение напряжения (V_w — V_j) используется потому, что оно устраняет вклад падения напряжения из-за эквивалентного последовательного сопротивления.

Эквивалентное последовательное сопротивление (при постоянном токе) вычисляется следующим образом:

ESR = V_f — V_min/I_d

Для измерения эквивалентного последовательного сопротивления на высоких частотах используется измерительный прибор или мост. Это сопротивление на частотах до 100 Гц обычно составляет 50–60 % от сопротивления при постоянном токе. Емкость может быть намного ниже из-за структуры электрода.

В Вычисления емкости и сопротивления можно выполнять и в цикле зарядки, используя аналогичные измерения.

Меры безопасности

Как и при проведении любых электрических тестов, вы должны быть достаточно осторожны. Необходимо соблюдать полярность и величину напряжения. Все соединения должны быть выполнены с расчетом на максимально возможный ток и изолированы для соответствующего напряжения. При проведении повторных испытаний может потребоваться воздушное охлаждение, чтобы устройства находились в рабочем диапазоне температур.