Содержание статьи
Современная беспроводная мышь — весьма удобная штука. Еще лет десять назад они постоянно разряжались, теряли связь с компьютером и стоили неприлично дорого (по сравнению со своими «хвостатыми» собратьями). Но теперь даже такие мыши расстались с большинством своих детских болячек. Сегодня в продаже можно найти устройства с модулем Bluetooth, которым не требуется отдельный радиоприемник, компактные модели для поездок и даже беспроводные геймерские мыши с низким временем отклика.
И все с ними как будто замечательно, за исключением одного: независимо от того, питается ли такая мышка от батареек или аккумулятора, их заряд имеет свойство пропадать в самый неподходящий момент. Конечно, батарейки можно поставить новые, а аккумуляторы зарядить, но первые надо еще найти, а вторые требуют на подзарядку какое-то время.
Причем, даже если выставить на источнике питания ток на уровне 2С–3С, что не очень хорошо для здоровья аккумуляторов и увеличивает их износ, минут 20–30 все же придется подождать. Поэтому я на такой случай всегда держу поблизости запасной заряженный аккумулятор. Тебе это знакомо? 🙂
И вот однажды мне на глаза попался лежащий без дела ионистор (он же суперконденсатор), который когда-то был приобретен без особой цели и с тех пор терпеливо ждал своего часа. Вопрос напрашивался сам собой и был отнюдь не праздным: а долго ли протянет с ним мышь, при условии, что средний ток потребления у нее на уровне 5 мА (при напряжении 3 В)? Забегая вперед: долго и даже очень долго. Но только при обязательном условии, что ионистор будет подобран правильно.
Впрочем, обо всем по порядку.
INFO
Беспроводные мышки со встроенным суперконденсатором сегодня уже можно встретить в продаже в ассортименте известных брендов. На фоне решений с питанием от батареек или аккумуляторов они по-прежнему составляют исчезающе малую долю, а высокая цена прочно держит их в нишевой категории «для энтузиастов». Желающие могут почитать обзоры на такие устройства, как Genius DX-ECO, Mad Catz Air и Razer Mamba Hyperflux.
Теория
Итак, что же представляет собой ионистор? По своим характеристикам он очень похож на конденсатор, за исключением одной важной детали: у ионисторов просто чудовищно большая емкость, от нескольких единиц до тысяч фарад. Все дело в том, что ионистор запасает энергию в двойном электрическом слое, возникающем на поверхности электродов, погруженных в электролит. В результате диэлектриком служит монослой молекул растворителя. Как следствие, его толщина может составлять порядка единиц ангстрем, а это чертовски малые величины.
Если ты хоть немного помнишь школьные уроки физики, емкость конденсатора прямо пропорциональна площади его обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, за счет применения в ионисторах пористых материалов (обычно — активированный уголь) площадь поверхности возрастает многократно. Это и позволяет суперконденсаторам запасать огромные значения энергии. Кроме того, у них, как правило, низкие токи утечки, что помогает держать заряд значительное время.
Разумеется, у ионисторов есть и недостатки. В первую очередь это высокая цена, относительно низкое рабочее напряжение (порядка нескольких вольт на ячейку) и существенно меньшая плотность энергии в сравнении с аккумуляторами. Так что на роль идеального источника питания на все случаи жизни они, увы, не подходят.
Впрочем, некоторые ухищрения позволяют все же частично справиться с перечисленными недостатками. Например, при легировании анода литием удается поднять рабочее напряжение до 3,8 В. Такие компоненты обычно называют литиевыми конденсаторами и относят к гибридному классу. Они имеют несколько ключевых особенностей, приятных и не очень. Во-первых, у литиевых конденсаторов существенно меньший саморазряд даже на фоне классических ионисторов (не говоря уже об обычных конденсаторах). Во-вторых, они крайне чувствительны к переразряду. Как правило, в описании производитель предупреждает, что разряд литиевого конденсатора ниже 2,2 В приводит к деградации анода, потере емкости и снижению внутреннего сопротивления компонента.
Сравнение
Теперь давай сравним несколько источников питания, чтобы примерно оценить перспективность всей затеи. Обычная компьютерная мышь, помимо батареек, может питаться и от перезаряжаемого NiMH-аккумулятора формата АА. Именно с ним мы и будем сравнивать оба ионистора — большой, размерами примерно с батарейку D и заявленными характеристиками на уровне 500 Ф и 2,7 В, а также маленький литиевый, емкостью на 100 Ф и напряжением 3,8 В. Сам NiMH-аккумулятор стандартного напряжения 1,4 В и средней емкости, рассчитан на 1500 мА ⋅ ч.
Важный момент: сравнивать их между собой в лоб не получится, так как разряд аккумулятора описывается уравнением Нернста. Собственно, этим уравнением описываются все химические источники питания. Как следствие, график разряда аккумулятора имеет плато по центру и резкий спад в конце, а его емкость измеряется в ампер-часах и рассчитывается как площадь под плато на графике. Конденсатор, в свою очередь, разряжается по экспоненте (при условии, что сопротивление нагрузки постоянно), и его емкость измеряется в фарадах.
Впрочем, выход есть: придется сравнивать запасенную энергию в джоулях. Итак, для конденсатора (или ионистора):
E = (C × U2) ÷ 2
Здесь C — емкость в фарадах, а U — напряжение в вольтах. Для аккумулятора:
E = 3600 × Q × U
Здесь Q — емкость в ампер-часах, а U — среднее напряжение. Для NiMH-аккумулятора напряжение на полностью заряженном элементе составляет примерно 1,4 В, а для разряженного — около 0,9 В. Однако, так как падение напряжения при разрядке нелинейно, возьмем среднее на уровне 1,1 В (все равно это приблизительные расчеты).
Теперь у нас получаются такие значения: 5940 Дж для аккумулятора, 1822 Дж для большого ионистора и 722 Дж для маленького. Выглядит неплохо, особенно учитывая, что последний по размеру примерно как аккумулятор. Но тут есть один нюанс: если в случае аккумулятора это та энергия, которую мы из него сможем взять, то с ионисторами чуть хитрее.
Как я уже упоминал, литиевый ионистор нельзя разряжать ниже 2,2 В (забегая вперед, скажу, что мы также не будем заряжать его выше 3,3 В). Это дает нам в итоге 302 Дж на один цикл. С большим ионистором другая штука — он плохо держит заряд выше 2,2 В, особенно при быстром заряде, на который мы целимся. Разрядить его с пользой ниже 0,5 В тоже не выйдет (из-за чисто технических ограничений). Впрочем, последнее не вносит заметной потери, так что здесь мы имеем около 542 Дж.
Тут уже неплохо видно преимущество литиевого конденсатора. Все же стоит учитывать, что он по размеру раз в семь меньше своего аналога. Впрочем, на мой вкус, преимущество не настолько велико, как его описывают в рекламных статьях. И не стоит забывать о разнице в цене — такие ионисторы достаточно дорогие.
С учетом всех замечаний в итоге получаем такие значения: те же 5940 Дж для аккумулятора, примерно 542 Дж в большом ионисторе на 500 Ф и 302 Дж в его младшем собрате на 100 Ф. Уже не так оптимистично. Хорошо, а на сколько этого хватит компьютерной мыши?
Современная недорогая беспроводная мышь потребляет примерно 4 мА в активном режиме и значительно меньше в режиме ожидания. Для простоты будем считать, что грызун у нас всегда в активном состоянии и напряжение питания у него 3 В. Это дает нам 43 Дж/ч.
Таким образом, в первом приближении от большого ионистора мышь должна проработать двенадцать часов, а от маленького порядка семи часов. Конечно, эти расчеты лишь приблизительные, но они позволяют оценить общую перспективность идеи. И на самом деле она весьма неплоха, если учесть, что большой суперконденсатор можно зарядить секунд за тридцать, а маленький и того быстрее. Таким образом, в теории наш манипулятор сможет запасти достаточно энергии на весь рабочий день всего лишь за время загрузки ОС.
Литиевые конденсаторы
Такие конденсаторы стоят сильно дороже даже классических ионисторов, и продают их заряженными. Поэтому, если надумаешь раскошелиться, обрати внимание, чтобы напряжение на нем было выше 2,2 В, а сам конденсатор обязательно был не вздутый. Здесь я хочу поблагодарить Faberge, который предоставил литиевый конденсатор VLCRS3R8107MG на 100 Ф для моего проекта.
С этим конденсатором была целая история. Его заказали в одном известном магазине, причем известном не в последнюю очередь своими высокими ценами. Первый же конденсатор, который оттуда прислали, оказался вздутым и разряженным. Впрочем, в ответ на претензию магазин оперативно и без лишних возражений выслал замену. А мне таким образом удалось сравнить между собой бракованный и рабочий экземпляры.
Выяснилось, что вздутый разряженный конденсатор сильно потерял в качестве и по саморазряду стал напоминать классические ионисторы (PDF), которые легко заказать в Китае. Особых нюансов тут нет, разве что качество раз на раз не приходится. Впрочем, несколько циклов заряд-разряд и длительный заряд идут им на пользу.
Продолжение доступно только участникам
Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте
Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее
Вариант 2. Открой один материал
Заинтересовала статья, но нет возможности стать членом клуба «Xakep.ru»? Тогда этот вариант для тебя! Обрати внимание: этот способ подходит только для статей, опубликованных более двух месяцев назад.
Я уже участник «Xakep.ru»
