¿Por qué los electrolíticos tienen una tasa de carga y descarga diferente para la misma corriente?

Estoy midiendo la tasa de carga y descarga de un capacitor electrolítico HV (en realidad tres capacitores de 560uF, 250V en serie) para calcular la capacitancia. Nota: Los condensadores se eligen a mano para una capacitancia de CA combinada efectiva de 155uF.

Durante la carga, obtengo 20 mA y mido (digitalizo) de 35 V a 695 V. Durante la descarga consumo 20mA y mido (digitalizo) de 695V a 35V.

Las curvas son realmente planas (la carga tiene una curva muy leve).

Capacitancia calculada (20 carreras) usando C= I / d V d t es:

  • Carga: 166,13 uF +/-0,7 uF (ajuste polinomial de segundo orden)
  • Descarga - 185.16uF +/-0.08uF (ajuste lineal)

¿Por qué la capacitancia de descarga es consistentemente un 11% más alta?

Nota: La reforma no es un problema ya que la prueba se repitió 20 veces en rápida sucesión con resultados consistentes.

La prueba se realiza alimentando la corriente con un Keithley 2410 SMU . El voltaje se mide utilizando un divisor calibrado de 1000:1 en un digitalizador de forma de onda. El divisor de voltaje está protegido y tiene una impedancia de entrada de 10M.

Aquí están las curvas de carga y descarga.

Forma de onda de cargaForma de onda de descarga

Demasiado confundido por lo que realmente está midiendo y cómo está haciendo los cálculos aquí para comentar.
Supongo que está relacionado con el remojo , pero no porque sepa algo específico sobre cualquier tipo de capacitor que esté probando.
Relajación dieléctrica.
Suena casi exactamente como si estuviera perdiendo energía a medida que carga y no la recupera durante la descarga. Así que pensaría en esto no muy diferente a la curva de histéresis en el magnetismo (donde el efecto suele ser mayor). Así que probablemente buscaría "histéresis dieléctrica" ​​como un mecanismo de pérdida y una posible explicación. Esta NO sería la misma idea que la absorción dieléctrica. Así que mantén las dos cosas separadas y no fusionadas.
C depende del voltaje para diferentes dieléctricos. ¿Cuáles son estos? El efecto de relajación o memoria para el efecto eléctrico de doble capa significa que hay al menos 2 constantes de tiempo distintas para C y ESR
C = I d t d V es lo que quisiste decir.
@TonyStewart.EEsince'75 No, creo que quiso decir lo que dijo. Es lo mismo, solo que escrito diferente.
solo sintaxis, creo que la permanencia entre barridos marca la diferencia, el método estándar es aplicar una señal AC CC sobre vías DC y calcular C a partir de esto en varios sesgos f y V. Por lo general, C aumenta por encima de 1 Hz debido al efecto de doble capa
@ TonyStewart.EEsince'75 El OP no ha dicho mucho sobre el tiempo de espera. Pero un experimento que debe hacerse es ajustarlo para ver cuánto afecta la fuga al resultado. Si se nota, cambie el experimento hasta que no se note. Luego verifique los resultados nuevamente. Pero supongo que el OP también "ve" el voltaje presente. Así que la fuga sería obvia. (Además, el uso de pendientes significaría que los puntos inicial y final no importarían para los cálculos).
Revisé mis datos. Parece que el tiempo entre barridos es de unos 3 minutos.
¿Puede decirnos qué tapas se utilizan por hoja de datos? ¿También se aseguró de que cada Vcap estuviera equilibrado?
Los condensadores son Panasonic EET-UQ2E561CA
Solo estoy calculando en base a dV/dt, por lo que no creo que el almacenamiento de energía residual afecte la medición (provocaría una compensación en lugar de un cambio de pendiente).
¿Algún voltaje en cada tapa fue negativo o excedió los 350V? La tolerancia indicaría diferencias de potencial en serie.
I yo mi a k = 3 C V (1,3 µA) máx. después de 5 minutos; C = Capacitancia en µF, V = WV no hay problema
" para la misma corriente " como has comprobado eso.
@markshancock Estoy completamente de acuerdo con usted sobre el uso de la derivada, que elimina cualquier efecto de compensación. Eche un vistazo aquí para ver una curva de histéresis dieléctrica medida: infinitefactors.org/misc/images/EESE046.png Esto es de mediciones experimentales de nanotubos de carbono (se examinan dos materiales diferentes, por lo que hay dos conjuntos de curvas).
los resultados indican que está descargando con más energía de la que ingresó, ya que C aumentó en la descarga, lo que sugiere un error en alguna parte.
Me interesaría ver toda la configuración / circuito que usó aquí.
Al igual que en los balanceadores de carga de la serie Lipo, deberá considerar lo mismo para las tapas que para los dispositivos de almacenamiento de energía y si el uso final es la descarga de pulsos, los resultados cambiarán.
¿Cómo se genera la fuente y el sumidero de corriente constante? ¿Será posible que las dos direcciones tengan una diferencia del 11%? Manejar el nivel de 695 V no es tarea fácil...
¿Probó su experimento con solo una resistencia, lo mismo durante la carga y la descarga?
Además, ¿cuál es la impedancia de entrada de su voltímetro?
Se agregó una descripción de la prueba a la publicación.
Gracias por agregar sus resultados e instrumento. La caída exponencial de dV/dt me haría desear calcular C incremental en una hoja de cálculo y verificar I con un DMM en serie. Falta algo en sus resultados, ya que la carga C que indica es ~10 % más baja, pero ni siquiera alcanza los 695 V en 6 minutos, lo que sugiere un valor C mayor que el informado. Verifique I con DMM e informe los cambios de V entre ch/disch. durante el ralentí. La caída exponencial hace que parezca no lineal, no C. Pruebe diferentes patrones de barrido con +20 mA, luego una breve pausa, luego breve -20 mA y luego reanude +20 mA. Esperaría algunos efectos de memoria.
Debido a que la carga es curva, la persona que escribió el algoritmo de procesamiento usó un ajuste de segundo orden para calcular R y C. Cuando agregué el cálculo de descarga, usé un ajuste de primer orden ya que era claramente lineal. Un ajuste lineal rápido del globo ocular de la forma de onda de carga parece dVdt = 640 V/6 s, lo que significa que C = 20 mA/106,6 V/s = 187,5 uF. Parece que necesito mirar más cuidadosamente el algoritmo de carga.
¿Cómo cambia dt/dV inicial para cada rampa? Dado que C = I dt/dV si C varía en la dirección de la corriente, me sorprendería especialmente considerar que la ley de conservación de la energía implica que su valor de C descarga más energía de la que ingresa con un valor de descarga de C más alto, por lo tanto, la medición de V o I debe estar equivocado. y lo más probable es que yo, incluso de un instrumento tan fino. Confiar pero verificar.
@TonyStewart.EEsince'75 Estoy seguro de que las leyes de la física todavía están intactas. Si es necesario verificar el Kiethley, lo haré (tengo algunos); pero hay otras explicaciones más simples que deben buscarse primero. La navaja de Occam. Los electrolíticos (y otros condensadores) claramente aún pueden contener energía incluso si la salida se mantiene en cero. Si lo duda, mida el voltaje de un electrolítico (o un tubo CRT) después de haberlo "descargado por completo". Los capacitores no son tan simples como en los libros de texto.
Todas las apuestas están canceladas si está utilizando diferentes ecuaciones matemáticas para carga y descarga....
@Trevor, estaría de acuerdo en que usar un algoritmo de ajuste de orden diferente para carga y descarga no es lo ideal (pero no es mi elección); pero, si se usara un segundo orden para la descarga, aún daría un resultado diferente para la medición de carga y descarga. Esto parece deberse a que la curva más notable en la carga provoca un efecto de segundo orden mayor.
Posiblemente @markshancock, desafortunadamente, como una pregunta aquí, es imposible comentar con algún grado de certeza sobre sus resultados cuando las matemáticas involucradas, con cualquier error que se introduzca debido al retraso del ciclo de medición, etc., es indeterminada. No podemos comparar manzanas y naranjas. De cualquier manera, algo está mal si sus resultados indican que está obteniendo un 10% más de carga de la que está poniendo. Si puede producir ese fenómeno, será realmente rico.
Verifique que la corriente con un DMM sea fácil durante un barrido. La memoria de límite CRT es el efecto de doble capa de carga, estaba eludiendo y por qué ESR cambia de CC a CA (f) porque el efecto de memoria es un C y ESR2 más grande y, por lo tanto, una constante de tiempo más larga ESR2 * C2 Normalmente para verificar estos errores, un remojo o permanencia en el voltaje constante de CV durante 3 minutos tendrá algo de corriente frente a flotación durante 3 minutos. El efecto memoria también es cierto para todas las baterías secundarias, aunque LiPo tiene menos memoria pero no cero. Confía en mi consejo. He sido ingeniero de pruebas durante décadas.

Respuestas (2)

Dos sugerencias:

Las curvas son realmente planas (la carga tiene una curva muy leve).

La carga tiene una curva porque sus topes están desequilibrados. Uno de ellos tiene una capacitancia más baja, se carga más rápido que los demás, luego alcanza el voltaje de ruptura y comienza a tener fugas. Al dar de alta el problema no existe. Por tanto, la carga es curva, pero la descarga no.

Cómo distinguir esto de la inmersión/absorción dieléctrica: cargue, luego espere a monitorear la corriente, si la absorción dieléctrica no está involucrada, entonces la corriente será insignificante.

La sugerencia 2 es que estoy equivocado;) en este caso, ¡estoy interesado en la respuesta real!

+1 ¿Sabes cuál es el modelo de especia para tapa electrolítica sobrevoltada? Me gustaría ver este escenario en simulaciones..
No lo sé y estoy bastante seguro de que si le pidiera al fabricante un modelo de una pieza usada fuera de sus especificaciones me preguntarían... ¿qué diablos? Entonces, ni idea. Todo lo que puedo decir es que cuando sobrevolté algunas tapas, sucedieron cosas malolientes... y en otras ocasiones funcionó bien. Sin embargo, no confiaría mi vida en eso ...
Aconsejaría al OP que verifique el voltaje en cada tapa durante la carga en comparación con las clasificaciones. Quiero decir, anduve en bicicleta cuesta abajo a 80 km/h. Tal vez más, no tuve tiempo de mirar el velocímetro debido a los árboles y la mierda que pasaba borrosa a una velocidad increíble. Eso está un poco por encima de las calificaciones. Realmente divertido de hacer... pero no lo recomendaría para el uso diario, ya sabes.
El voltaje de trabajo para cada tapa es de 250 V y la sobretensión es de 300 V. Me quedo debajo de ambos. Los condensadores se seleccionan a mano para que tengan capacitancias muy parecidas (supuestamente dentro del 2 %). Estoy seguro de que están dentro del 10 %.
Nota: agregué las curvas.
Esta prueba no monitorea cada capacitor; pero, tengo otro que lo hace. Por lo general, los voltajes a través de los capacitores difieren en <5V.

Entonces, en última instancia, el problema estaba en la curva.

En ambos casos (carga y descarga), la tasa global es muy similar. El problema es que hay una curva muy leve en el caso de la carga. Esto es bastante esperado. A medida que aumenta el voltaje, aumenta la corriente requerida para alimentar la resistencia de fuga, robando así más y más corriente del capacitor y reduciendo así la d V d t . Como estoy haciendo un ajuste polinomial de segundo orden y usando el término de primer orden para el cálculo de la capacitancia, esto es equivalente a usar el d V d t en t=0 que es donde es más alto. Esto hace, ya que aquí es donde la fuga tiene el menor efecto. Como C= I / d V d t , obtendré un valor de capacitancia generalmente más bajo.

Aquí están los detalles de los ajustes de la curva.

  • Cargar

2do Orden: y = -1.941x2 + 120.99x + 25.775 => C=165.3

1er Orden: y = 109.07x + 37.977 => C=183.4

  • Descargar

2do Orden: y = 0.6011x2 - 111.69x + 693.51 => C=179.1

1er Orden: y = -107.97x + 689.66 => C=185.2

Esto explica la razón de los diferentes valores calculados; pero no explica por qué la curva no aparece también en la descarga.

Nota: En la revisión, me di cuenta de que si decido hacer un ajuste de segundo orden para la descarga, tendré que asegurarme de usar d V d t en y=0 que para la descarga no es t=0 y por lo tanto no es el término de primer orden.

¿Por qué los electrolíticos tienen una tasa de carga y descarga diferente para la misma corriente?
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