Hallo,
ich möchte zehn vorhandene Ultra Caps (2,7V) so zusammenschalten daß
sich etwa 10V + Sicherheitsreserve (kein Balancing vorgesehen) ergeben.
Infrage kommen wohl 2x5 Caps in Reihe. Da die Kondensatoren nicht alle
gleich sind (unterschiedliche Aufladung, max. 2,7V!) möchte ich sie
vorselektiert möglichst sinnvoll zusammenschalten. Zunächst mal hab ich
dazu mal je 5 in Reihe an 12 V gehängt und die einzelnen Spannungen über
jedem Cap gemessen:
1) 2,27V 6) 2,59V
2) 2,48V 7) 2,46V
3) 2,50V 8) 2,14V
4) 2,52V 9) 2,51V
5) 2,26V 10) 2,30V
Meine Frage wäre nun soll man besser alle Caps mit höherer abfallender
Spannung und alle Caps mit niedrigerer je in Reihe schalten und die
Reihen dann parallel oder vielleicht besser je zwei (möglichst)
unterschiedliche parallel und davon dann 5 Pärchen in Reihe? Die Extreme
sollen sich ja ausgleichen. Wie optimiert man das?
Robin
Werden die in jedem Zyklus alle auf 0 entladen? Wenn nicht würde ich mir
da sorgen machen das sich das ungleichgewicht über die Zeit ausweitet,
egal wie gut vorher selektiert wurde.
http://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator_%28Elektrotechnik%29#Parallel-_und_Reihenschaltung
"Da die Isolationswiderstände bzw. bei Elektrolytkondensatoren die
Restströme der einzelnen Kondensatoren stark unterschiedlich sein
können, kann über unterschiedliche Isolationswiderstände bzw. Restströme
eine Spannungsaufteilung entstehen, die nicht mit der kapazitiven
Spannungsaufteilung übereinstimmt. Dadurch können unter Umständen
einzelne Kondensatoren mit einer zu hohen Spannung beaufschlagt werden,
was zu Kurzschlüssen führen könnte. Aus diesem Grunde werden in der
Regel in Reihe geschaltete Kondensatoren symmetriert, das heißt, jedem
Kondensator wird ein definierter hochohmiger Widerstand (jedoch deutlich
geringer als RLeak) parallel geschaltet, damit eine definierte
Spannungsaufteilung entsteht."
Probier's mal ;)
@Samuel
Danke für die Info.Ich hoffe und vermute aber,daß das was
sicherheitshalber pauschaliert für die Serienproduktion gilt nicht
unbedingt für den Einzelfall gelten muß :-) Die Symmetrierung mit
Widerständen bleibt für mich wegen des kontraproduktiven zusätzlichen
Stromverbrauchs die letzte Option.
@Jörg
Nein, in meiner Anwendung für ein mobiles Netzteil werden sie nicht
komplett entladen. Ob es die "Ausweitung des Ungleichgewichts" wirklich
gibt ist wohl tatsächlich die entscheidene Frage. Ich habe aber zum
Glück Zeit und Muße, das jetzt eine Zeitlang an den Caps (Samwha
200F/2,7V) mit einigen Lade/Entladezyklen zu untersuchen, bislang schaut
es gut aus.
Ich denke ich werde mich für die Pärchenlösung mit einander
"komplementären" sprich möglichst verschiedenen Caps entscheiden:
Das Risiko das sich dabei ein Cap mit höherem
Innenwiderstand/abfallender Spannung überlädt dürfte sich damit
drastisch reduzieren; kombiniert mit den ohnehin nur 10V pro 5 Caps in
Reihe = 0,7 V "Sicherheitsabstand" zur max.Spannung kann ich doch
eigentlich recht optimistisch sein, oder?
Robin
Ohne Balancing riskierst du, dass es aufgrund der unterschiedlichen
Spannungsabfälle an irgend einem Cap mal einen Durchschlag gibt.
Und wenn du mal mitbekommen hast, was ein kleiner popeliger
100µ-Kondensator an Aufmerksamkeit erregt, wenn er hochgeht, dann kannst
du das mal auf einen deiner Ultracaps "umrechnen".
Ulrich S. schrieb:> dass es aufgrund der unterschiedlichen> Spannungsabfälle an irgend einem Cap mal einen Durchschlag gibt
Du meinst aufgrund einer Überspannung an einem Cap?
Ulrich S. schrieb:> Und wenn du mal mitbekommen hast, was ein kleiner popeliger> 100µ-Kondensator an Aufmerksamkeit erregt,
Nein, hab ich noch nicht :-)
Ich möchte das ja durchaus ernst nehmen.
Aber trotzdem und ganz konkret, warum sollte es zu einer lokalen
Überspannung bis hin zum Durchschlag kommen, bei Einhaltung aller
Spezifikationen? Die Caps werden in großer Stückzahl produziert und
sollten doch einigermaßen zuverlässig sein. Ich sehe momentan kein
nennenswertes Risiko. Kernkraftwerke sind per se auch gefährlich (sorry,
Apfel/Birnen Vergleich :-))
Robin
Du kommst mit einen deiner Kondensatoren bereits auf 2,59V - knapp unter
die Nennspannung.
Das Balancing hat man nicht umsonst bei den Kondensatoren eingeführt -
es ist genau dazu gedacht, dass man Überspannung an einem einzelnen
Kondensator verhindert, da diese zu einem Spannungsdurchschlag führen
kann. Wenn das passiert, dann hast du eine nette Explosion.
Die 12V sind nicht zufällig das KFZ-Bordnetz?
Mobiles Netzteil? Also einmal laden und dann irgendetwas betreiben. Na
dann ist das doch kein Problem.
Beim laden wie schon erwähnt ein paar niederohmige Widerstände parallel
und wenn sie geladen sind sollten sie ja nicht mehr in die Überspannung
driften, also kannst du die Widerstände in der Betriebs oder
Entladephase abklemmen/wegschalten...
Hoffe das war jetzt kein Unsinn :D
Die Leckströme fliesen auch beim Entladen.
und btw. die sind abhängig von der Kondensatorspannung und der
Temperatur.
Bei 10V entspannt sich die Sache jedoch noch etwas, ich würde trotzdem
noch ein paar Messungen machen.
Stell mal dein Netzgerät auf 10V und schau dir die Spannungsabfälle im
Vergleich an.
OK Ulrich, das werde ich.
Die Cap-Speicherbank soll auch nur bei Bedarf zum Laden/ als Quelle
eines LT1085 Spannungsreglers zugeschaltet werden können.
Danke Basti für den Tipp, allerdings bräuchte es dafür einen Schalter
mit allerhand Kontakten...
Robin S. schrieb:> Aber trotzdem und ganz konkret, warum sollte es zu einer lokalen> Überspannung bis hin zum Durchschlag kommen, bei Einhaltung aller> Spezifikationen?
Ich würde halt befürchten das wenn ein Cap etwas weniger Kapazität hat
das er dann schneller geladen, sprich schneller auf Maximalspannung
angelangt ist. Dieser Cap hat dann also mehr Spannung, nimmt im gleichen
zug den anderen die Spannung weg. Wird er jetzt nicht komplett entladen,
hat der mehr geladene immer noch mehr Spannung und ist beim nächsten
Ladezyklus noch schneller auf Maximalspannung usw. usw.
Jörg S. schrieb:> Ich würde halt befürchten das wenn ein Cap etwas weniger Kapazität hat> das er dann schneller geladen, sprich schneller auf Maximalspannung> angelangt ist. Dieser Cap hat dann also mehr Spannung, nimmt im gleichen> zug den anderen die Spannung weg. Wird er jetzt nicht komplett entladen,> hat der mehr geladene immer noch mehr Spannung und ist beim nächsten> Ladezyklus noch schneller auf Maximalspannung usw. usw.Jörg S. schrieb:> würde ich mir> da sorgen machen das sich das ungleichgewicht über die Zeit ausweitet,
Beides kann ich nach ein paar ersten Lade/Entladetests nicht bestätigen.
Unabhängig vom Entladezustand/Spannung laden sich alle Caps wieder
entsprechend ihrem Innenwiderstand auf. Und dabei schaut es so aus als
daß sich die ungleiche Ladungsverteilung mit der Zeit ein wenig
ausgleicht (wieder die gleichen Caps je 5 in Reihe an 12V):
1) 2,29V 6) 2,53V
2) 2,45V 7) 2,45V
3) 2,48V 8) 2,20V
4) 2,48V 9) 2,48V
5) 2,28V 10) 2,31V
Soweit ein kurzes Zwischenupdate.
Robin
Ein Möglichkeit zur Symmetrierung wäre die Parallelschaltung einer
Bandgap-Referenz 2,5V zu jedem Cap, mit Schutzwiderstand etwa 10 Ohm
in Reihe zur Begrenzung des Ausgleichsstroms auf 20mA.
http://www.reichelt.de/?ARTICLE=10493;
Der besondere Charme: Ist die Cap Spannung auf 2,5V gedrückt
(bzw. minimal darunter), zieht die Referenz unter 10 µA, also
etwa im Bereich der Selbstentladung. (Figure 1 im Datenblatt)
Die Caps sind nun wie beschrieben selektiert zu 5 "komplementären"
Pärchen in Reihe testweise zusammengeschaltet. Es ergibt sich das
gewünschte Bild bei 12V angelegter Spannung: Über jedem Pärchen fallen
nun fast genau 2,4V ab, die Differenzen beginnen erst beim hundertstel
Volt... Daß sich ein einzelner Cap aufgrund von Toleranzen überlädt
sollte eigentlich ausgeschlossen sein und weiterer Aufwand zur
Symmetrierung überflüssig. Die Anschlüsse zwischen den Pärchen habe ich
jedoch trotzdem herausgeführt und habe dafür auch ADU-Kanäle meiner MCU
übrig um das langfristig im Auge zu behalten :-)
Robin S. schrieb:> Daß sich ein einzelner Cap aufgrund von Toleranzen überlädt> sollte eigentlich ausgeschlossen sein und weiterer Aufwand zur> Symmetrierung überflüssig. D
Das die Ultra-Caps unterschiedlich altern schließt du damit nicht aus.
Was spricht gegen die Bandgap-Lösung? da bist du mit weniger als 50 cent
pro Cap dabei, im Vergleich dazu was so ein 200F-UltraCap kostet sind
das doch Peanuts.
Εrnst B✶ schrieb:> Was spricht gegen die Bandgap-Lösung?
Klingt venünftig, ich kann ja mal Plätze auf der Platine dafür
freihalten aber so recht durchschaue ich den Sinn noch nicht.
Die große Unbekannte ist das tatsächliche Alterungsverhalten.
Gehen die Differenzen zu schnell auseinander hilft diese Symmetrierung
letztlich doch auch nicht oder nur begrenzte Zeit gegen den dann
fälligen Bauteiletausch. Dauert es länger (und momentan ist der Trend ja
sogar eher gegenläufig) verschenke ich mit 2,5V Oberkante wertvolle
Lebensdauer dieser wie schon angemerkt nicht ganz billigen Bauteile. Mir
scheint es nach wie vor sinnvoller, regelmäßig nach dem Rechten zu sehen
sprich die einzelnen Teilspannungen via sowieso vorhandener Hardware im
Auge zu behalten.
