Como medir capacitância muito grande, por exemplo, capacitores super / ultra

Recentemente, adquiri um par de capacitores ultra / super misteriosos do meu irmão. Aparentemente, ele não se lembra de nenhuma das especificações ou mesmo da marca ... Para complicar ainda mais, eles não têm informações de identificação significativas estampadas ou impressas. (Existe uma etiqueta de código de barras com código alfanumérico, mas uma pesquisa rápida no Google usando ela não encontrou nada.)

Parece que é hora de acionar o Scooby-Doo Mystery Buss, porque estávamos indo em uma aventura.

Primeiro, imaginei que tentaria medir a capacitância. Como meu medidor LCR não é especificado para capacitores enormes como esses, tive que ser criativo com meu equipamento de teste.

Levando em conta a física básica, temos que a capacitância é proporcional à carga armazenada por volt no capacitor:

C = \frac{q}{V}

$C=\frac{q}{V}$

onde a carga acumulada no capacitor é a integral da corrente através do capacitor:

\int Eu (t) d t = q

$\int i(t)dt=q$

Usando uma fonte de corrente para carregar o capacitor, podemos simplificar os cálculos, usando apenas medições delta da carga e da tensão no capacitor.

C = \frac{Δ q}{Δ V} = \frac{Eu Δ t}{Δ V}

$C=\frac{\Delta q}{\Delta V}=\frac{i\Delta t}{\Delta V}$

Com a minha fonte de corrente Advantest R6144, posso carregar o capacitor em uma corrente definida e simplesmente medir a tensão no capacitor usando o Tektronix DMM4050 no modo trendplot.

Imagens da configuração de teste

No entanto, é aqui que começo a ver números bastante grandes. É possível que o capacitor realmente tenha ~ 2200 farads, mas isso parece um pouco alto. É certo que o capacitor é bastante grande com ~ 5,5 "de comprimento por ~ 1" de raio.

E agora algumas perguntas para o pessoal da troca de pilhas de engenharia elétrica: esse método é um meio viável para medir super capacitores? Ou existe um método mais adequado que eu possa aplicar para medi-los? Além disso, a capacitância dos super / ultra capacitores muda significativamente em relação à tensão do capacitor? Por exemplo, esses resultados medidos são preditivos / indicativos para tensões de carga mais altas. Eu diria que a capacitância deve flutuar um pouco, mas duvido que seja isso. Provavelmente, na pior das hipóteses, são algumas centenas de farads, mas não sou especialista no assunto.

Além disso, e um pouco mais importante, como eu encontraria a tensão máxima de carga sem destruir o capacitor? Uma carga de corrente constante diria 100uA por algumas semanas até que a tensão atinja algum tipo de equilíbrio com o trabalho de autodescarga. Depois recue algumas centenas de milivolts e chame isso de tensão máxima de carga. Ou chegará a um ponto de disparo e se autodestruir enquanto pulveriza eletrólito em todo o meu laboratório?

Finalmente, como você determina a orientação da polaridade dos capacitores? Eles não estão marcados de forma alguma e os dois terminais são idênticos. Apostei com a tensão residual armazenada no capacitor. Presumo que o efeito dielétrico de absorção / memória do carregamento anterior saiba a direção correta ...

De qualquer forma, é divertido tentar determinar as características desses capacitores. Mas ainda é um pouco agravante que não haja marcações úteis neles, como orientação de polaridade, fabricante, etc.

capacitor electrolytic-capacitor supercapacitor capacitor-charging Grandes Goles
fonte

Olhando para os pdfs que Dan1138 gentilmente forneceu, acredito que uma carga de corrente constante de 1mA a 100uA (depois que a tampa foi carregada a ~ 2,5V a uma taxa muito mais rápida) poderia de fato reduzir a tensão máxima de carregamento. Se a corrente de vazamento na tensão nominal for próxima de 4,2mA (para a super capa Maxwell 2000F), uma corrente constante de qualquer valor menor que isso nunca deverá sobrecarregar o capacitor, pois o vazamento não carrega o capacitor. Deixe-me saber o que vocês pensam.

Big Gulps

2200F é a ordem de magnitude correta para um ultracapacitor. Além disso, todos eles parecem ter a mesma tensão máxima.

user253751

Você pode editar sua pergunta e incorporar sua imagem, por favor? Para aqueles de nós que vivem atrás de um proxy, não podemos vê-lo.

UKMonkey

A corrente de vazamento pode atrapalhar as medições no carregamento, mas se uma medição de descarga também indicar 2200 uF, provavelmente é verdade.

22318 Brian Drummond

V (t) = \frac{{Eu}_{c c}}{C} t + V_{0 0}

$V(t)=\frac{i_{cc}}{C}t+V_0$

C = {Eu}_{c c} M^{- 1 1}

$C=i_{cc}M^{-1}$

Respostas:

Este é o processo de Maxwell para medir C a partir de suas especificações de teste.

$C=C_{dcd}=\dfrac{I_5*(t_5-t_4)}{V_5-V_4}$

Observe que a tensão cai em direção à tensão anterior devido a uma constante de tempo RC adicional em paralelo. (ou seja, efeito de memória) Aqui, mostra-se cerca de 5% da escala completa de 10% para uma descarga de meia tensão. Esse efeito de memória indica outra capacitância de "efeito elétrico de dupla camada" entre 5% e 10% de C.

O que isso significa é como nas baterias, se você carregar e descarregar muito mais devagar (pelo menos 10x mais devagar), a capacidade de armazenamento aumentará de 5 a 10%, semelhante às melhores baterias de iões de lítio ESR baixas, anunciadas como sem efeito de memória (relativo ao NiCad.)

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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É interessante ver que eles usam um ciclo duplo de carga / descarga e realizam a medição real na descarga final. Acho que para a maioria das pessoas esse não é um método prático de medição - que possui um dispositivo de teste que pode emitir pulsos de corrente constante de 100 A e o sistema daq para capturar tudo. Dito isto, acho que jogarei alguns mosfets em paralelo com alguns resistores de 100mohm e opamp para CC e usarei meu osciloscópio para capturar a medição delta para o ciclo de descarga. Independentemente disso, acho que meu método de baixa corrente funciona para medições de estimativa.

Big Gulps

bem, se eu fosse testar supercaps quanto às propriedades de entrega atuais, bem, talvez eu precise de uma fonte de alimentação robusta; nesse sentido "quem tem um equipamento de teste como esse" é "pessoas que realmente precisam medir sistemas sob alta corrente, provavelmente, incluindo pessoas que testam supercaps".

Marcus Müller

Uma bateria grande pode fornecer à corrente um bom MOSFET, mas um teste de baixa corrente pode ser 10% mais alto C devido à capacitância secundária que suporta a saída com um dV / dt muito mais baixo.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75 /

Nas imagens da célula na foto de configuração de teste, elas parecem semelhantes à linha de ultracapacitores Maxwell DuraBlue. Consulte esta folha de dados de para obter mais informações.

A nota de aplicação Maxwell 1007239 , Procedimentos de teste para características de capacitância, VHS, corrente de vazamento e autodescarga dos ultracapacitores, pode ser útil.

Essa linha de "supercapacitores" possui uma tensão de trabalho máxima de 2,85 VCC e uma capacitância típica de 3400 Farads. A maioria dos outros "supercapacitores" neste tipo de embalagem possui uma tensão de trabalho máxima de 2,7 VCC.

Seja cauteloso, pois um curto interno nesses dispositivos pode resultar em um evento espetacular de falha. Você pode ter disponível um sistema de supressão de incêndio não condutor e não à base de água (areia, produtos químicos, CO2, Halon etc.).

Com base nas fotos de configuração de teste publicadas, você provavelmente derreterá os clipes de jacaré antes de exceder a corrente máxima de carga ou descarga.

Dan1138
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Minha maneira usual é medir a resistência com um multímetro normal. Supondo que a tensão / corrente de teste seja aplicada mais ou menos continuamente, você verá a leitura de "resistência" aumentar de maneira comparativamente linear ao longo do tempo. A média grosseira desse aumento na unidade "Ohm por segundo" fornece o inverso da capacidade.

Por exemplo, se a leitura aumentar cerca de 10 Ohms a cada segundo, a capacidade será de 0,1 F. Você deve verificar primeiro com algumas capacidades conhecidas que o seu multímetro é do tipo de medição contínua, onde essa aproximação é boa o suficiente.

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R (t) = \frac{V (t)}{{Eu}_{c c}}

$R(t)=\frac{V(t)}{i_{cc}}$ , Onde

V (t) = \frac{{Eu}_{c c}}{C} t + V_{0 0}

$V(t)=\frac{i_{cc}}{C}t + V_0$ Simplificar e usar medições delta fornece

Δ R (t) = \frac{Δ t}{C}

$\Delta R(t)=\frac{\Delta t}{C}$ que implica

C = \frac{Δ t}{Δ R (t)}

$C=\frac{\Delta t}{\Delta R(t)}$ .O único problema que vejo é que você não tem carimbos de hora para delta t. A menos que o medidor tenha um gráfico de tendências (ou similar), você obterá apenas uma aproximação muito aproximada. Mas, como você diz, esta é uma maneira fácil de verificar sem a necessidade de equipamentos caros.

Big Gulps