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Condensadores en paralelo que van en negativo

Interesante (¿tal vez?) pregunta que me cuesta responder. Espero que alguien pueda ayudar.

Tengo una red de condensadores; 5 tapones en paralelo y luego dos módulos de esa configuración conectados en serie. Estoy midiendo el voltaje de los 5 tapones inferiores utilizando un Arduino Nano. El Arduino y la red de condensadores sólo están unidos por el negativo del condensador (gnd) conectado al pin GND del Arduino. Un poco crudo, pero significa que puedo medir voltajes negativos (es decir, 0V se registra como 3V3 en el Nano): Circuit Diagram

He cargado el circuito durante algo menos de 24 horas a 2V4 de V+ a V-. Comprobé los voltajes en cada uno de los tapones y estaban razonablemente equilibrados (un par de cientos de mV como máximo). Es decir, cada tapón está sentado a 1V2, no hay corriente dentro o fuera del sistema (salvo unos pocos uA debido a la fuga interna del tapón).

Ahora, desconecto la alimentación V+ (S1 va a la posn 3) y conecto una carga (a la posn 1 de S2). Como era de esperar, la red se descarga en la carga, favoreciendo la descarga de las cápsulas con resistencias en serie de menor valor. Es decir, C1 y C6 se descargan más rápido, C5 y C10 más lento.

A los 75 minutos puse la pila en circuito abierto.

A los ~140min vuelvo a aplicar la carga.

La observación/pregunta. Cuando las cápsulas con constantes RC rápidas (C1 y C6) alcanzan 0V a través de la cápsula, se descargan completamente. Sin embargo, luego son empujados a negativo. Es decir, al medir a través de la tapa, aparece una tensión negativa. Sube a negativo unos cientos de mV. ¿Por qué? [Nota: he restado 3V3 de las lecturas de tensión para obtener la referencia correcta con respecto a la pila, no al Arduino].

Results

Me he estado rascando la cabeza durante un tiempo y no puedo entender qué es lo que hace que el voltaje sea negativo a través de ese tapón, mientras que los otros en paralelo siguen siendo positivos.

He sido deliberadamente vago en las lecturas precisas porque la impedancia de entrada de mi multímetro, y el Nano apestan. (Estoy haciendo un pequeño seguidor de voltaje para resolver este problema, y también utilizar un potenciostato en lugar de un Arduino). Disculpas en este frente.

Curiosamente, he modelado este circuito en Matlab y lo ha predicho. Tenía la esperanza de que mi modelo estuviera equivocado... ¿tal vez no?

Muchas gracias de antemano,

Simon

P.D.: Se dará un agradecimiento masivo y se dará crédito a cualquiera que pueda ayudar si le parece bien que lo acredite en un trabajo de investigación. Si no es así, me alegro de no dar crédito (sé que a algunos no les gusta). PPS: No he entrado en detalles sobre lo que representa el circuito. Me gustaría explicarlo si la gente está interesada (por cierto, es una distribución gaussiana sesgada).

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user21359 Puntos 133

Sube a negativo unos cientos de mV. ¿Por qué?

Por eso, los condensadores en serie tienen resistencias de purga/equilibrio a través de ellos. Una lectura negativa es una señal de que los condensadores más débiles (menos carga) están siendo cargados de forma inversa por los condensadores más fuertes (más carga). Los dieléctricos NO son exactos de un condensador a otro, especialmente los supercondensadores de alto valor.

Los condensadores en paralelo no tienen este problema de carga inversa, pero los valores de fuga de cada condensador se suman. NO se recomienda la carga inversa intencionada de más de 1 voltio, ya que normalmente forma parte de las pruebas "destructivas". Esto puede dañar el dieléctrico sin posibilidad de reparación.

EDITAR : Las resistencias de alto valor son parte del problema. Como tienes 2 bancos de condensadores de la misma capacitancia por banco, una sola resistencia en serie para limitar corriente de carga está bien. Añadir una resistencia de 100K a través de cada banco para balance de cargas Un diodo 1N4007 a través de cada banco (banda blanca al + de los condensadores) evitará un desequilibrio en la descarga Actuando como un bypass para el banco que se descarga más rápido, hasta que ambos bancos se hayan vaciado a cero voltios.

La resistencia de mayor valor "protege" a los condensadores mucho mejor que con resistencias de menor valor, suponiendo que ambos condensadores sean del mismo valor. Normalmente los condensadores en paralelo intentan nivelar su diferencia de carga pero las resistencias en serie pueden cambiar este efecto. El condensador con una resistencia de mayor valor se descargará mucho más lentamente, manteniendo así una tensión más alta (en sus propios terminales) durante mucho más tiempo. La gran diferencia en los valores de las resistencias anula cualquier posibilidad de equilibrar la carga. La diferencia en los valores de los condensadores agrava el problema. Mira tus condensadores como tratando de ser igual Entonces, mira los valores del delta de tus resistencias como una alteración de este acto de auto-equilibrio.

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Muchas gracias por esto. Entonces, si simplifico esto a sólo C6, R6, C10 y R10 (más la carga) y cargo sólo C10. Cuando aplico la carga, C6 sería tirado negativo. Lo que me cuesta entender (¡quizá sea demasiado tarde un viernes!) es cómo la carga positiva en C10 puede conducir un voltaje negativo, a través de dos resistencias, a C6. Hmm, no me parece que lo haya explicado bien

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Las resistencias de alto valor son parte del problema. Dado que tienes 2 bancos de condensadores de la misma capacitancia por banco, una sola resistencia en serie para limitar la corriente de carga está bien. Añade una resistencia de 100K a través de cada banco para equilibrar la carga, Un diodo 1N4007 a través de cada banco (banda blanca al + de los condensadores) evitará un desequilibrio de descarga, actuando como un bypass para el banco que se descarga más rápido, hasta que ambos bancos se hayan drenado a cero voltios.

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Gracias por los comentarios. Así que no es un problema que esté tratando de arreglar; debería haberlo dejado más claro. Es un problema que estoy tratando de entender, es decir, la teoría de lo que está impulsando esta tensión negativa. El circuito no puede ser modificado de ninguna manera ya que no estoy tratando de hacerlo funcionar y equilibrar. Es parte de un proyecto de investigación.

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