Cómo medir capacitancias muy grandes, por ejemplo super/ultra condensadores

Question

Recientemente he adquirido un par de misteriosos ultra/super condensadores de mi hermano. Aparentemente él no recuerda ninguna de las especificaciones ni siquiera la marca... Para complicar aún más las cosas, no tienen información de identificación significativa estampada o impresa en ellos. (Hay una etiqueta de código alfanumérico pero una rápida búsqueda en Google no encontró nada)

Parece que es hora de poner en marcha el Autobús de Misterio de Scooby-Doo, porque nos embarcaremos en una aventura.

Primero, pensé en medir la capacitancia. Dado que mi medidor LCR no está especificado para condensadores enormes como estos, tuve que ser creativo con mi equipo de prueba.

Teniendo en cuenta la física básica, sabemos que la capacitancia es proporcional a la carga almacenada por voltio a través del condensador:

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

donde la carga acumulada en el condensador es la integral de la corriente a través del condensador:

$$\int i(t)dt=q$$

Usando una fuente de corriente para cargar el condensador podemos simplificar los cálculos, usando solo las medidas de la carga y el voltaje a través del condensador.

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

Con mi fuente de corriente Advantest R6144 puedo cargar el condensador a una corriente establecida y simplemente medir el voltaje a través del condensador usando mi Tektronix DMM4050 en el modo de gráficos.

Fotos de la configuración de prueba

Sin embargo, aquí es donde comienzo a ver algunos números bastante grandes. Es posible que el condensador realmente sea ~2200 faradios, pero eso parece un poco alto. Es cierto que el condensador es bastante grande, aproximadamente 5.5" de largo por ~1" de radio.

Y ahora algunas preguntas para los estimados miembros de Electroingeniería de Stack Exchange: ¿Es este método una forma viable de medir super condensadores? ¿O hay un método más adecuado que pueda aplicar para medirlos? Además, ¿la capacitancia de super/ultra condensadores cambia significativamente con respecto al voltaje del condensador? Por ejemplo, ¿estos resultados medidos son predictivos/indicativos para voltajes de carga más altos? Supongo que la capacitancia debería fluctuar un poco, pero dudo que sea tanto. Probablemente en el peor de los casos serían unos pocos cientos de faradios, pero no soy un experto en el tema.

Además, y algo más importante, ¿cómo puedo encontrar el voltaje de carga máximo sin destruir el condensador? ¿Una carga de corriente constante de, digamos, 100uA durante unas semanas hasta que el voltaje alcance un equilibrio con la autodescarga funcionará? ¿Luego retroceder un par de cientos de milivoltios y considerar eso como el voltaje máximo de carga? ¿O simplemente alcanzará un punto de disparo y se autodestruirá mientras rocía electrolito por todo mi laboratorio?

Finalmente, ¿cómo determino la orientación de la polaridad de los condensadores? Estos no están marcados de ninguna manera, y ambos terminales son idénticos. Apuesto por el voltaje residual almacenado en el condensador. Supongo que el efecto de absorción de dieléctrico de cargas anteriores conoce la dirección correcta...

En cualquier caso, es divertido intentar determinar las características de estos condensadores. Pero sigue siendo un poco molesto que no tengan marcas útiles, como la orientación de la polaridad, el fabricante, etc.

Answer 1

De las imágenes de la celda en la foto de la configuración de prueba, parecen ser similares a la línea de Ultracapacitores Maxwell DuraBlue. Consulta esta hoja de datos para obtener más información.

La nota de aplicación de Maxwell 1007239, Procedimientos de prueba para caracterizaciones de Capacitancia, ESR, Corriente de fuga y Autodescarga de Ultracapacitores, puede ser útil.

Esta línea de "supercapacitores" tiene un voltaje de trabajo máximo de 2.85 VDC y una capacitancia típica de 3400 Faradios. La mayoría de los otros "supercapacitores" en este tipo de empaque tienen un voltaje de trabajo máximo de 2.7 VDC.

Sé cauteloso, un cortocircuito interno en estos dispositivos puede resultar en un evento de falla espectacular. Es posible que quieras tener disponible un sistema de supresión de incendios no conductor, no basado en agua (arena, químico, CO2, Halon, etc.).

Basándonos en las fotos publicadas de la configuración de la prueba, es probable que se derritan los clips de cocodrilo antes de exceder la corriente máxima de carga o descarga.

Answer 2

Este es el proceso de Maxwell para medir C a partir de su especificación de prueba.

$C=C_{dcd}=\dfrac{I_5*(t_5-t_4)}{V_5-V_4}$ La capacitancia se carga y descarga a la corriente nominal pero se mide desde Urated hasta el 50% de Urated.

Hay que tener en cuenta que el voltaje disminuye hacia el voltaje anterior debido a una constante de tiempo adicional RC en paralelo. (es decir, efecto memoria) Aquí se muestra alrededor del 5% de la escala completa del 10% para una descarga a la mitad del voltaje. Este efecto memoria indica otra capacitancia de "efecto eléctrico de doble capa" entre el 5% y el 10% de C.

Esto significa que al igual que en las baterías, si cargas y descargas mucho más lento (al menos 10 veces más lento), entonces la capacidad de almacenamiento aumenta entre un 5% y un 10%, similar a las mejores baterías de iones de litio de bajo ESR, que se anuncian como que no tienen efectos memoria (en comparación con el NiCad).

Answer 3

Mi forma habitual es medir la resistencia con un multímetro normal. Suponiendo que el voltaje / corriente de prueba se aplique más o menos de manera continua, verás que la lectura de "resistencia" aumenta de manera comparativamente lineal con el tiempo. Promediando este aumento en la unidad "Ohmio por segundo" te da el inverso de la capacidad.

Por ejemplo, si la lectura aumenta aproximadamente 10 Ohmios cada segundo, la capacidad es de aproximadamente 0.1F. Debes verificar con algunas capacidades conocidas primero que tu multímetro es del tipo de medición continua donde esta aproximación es lo suficientemente buena.