V dalším pokračování článku o možnostech aplikací superkondenzátorů se zaměříme na jejich měření, nabíjení a vybíjení. Pro začátek budeme předpokládat situaci, kdy máme několik kondenzátorů a snažíme se ověřit, zda je možné z nich sestavit sadu, případně se snažíme vybrat optimálně součástky do několika sad. Budeme tedy pracovat vždy s jediným kondenzátorem.
V první řadě je na místě varování. Je nezbytné dávat si pozor ne jako při práci s kondenzátory, ale nejméně tak, jako při práci s velkými Li-pol. Nikoho snad nenapadne zkoušet napětí Li-pol tím, že „křísne“ vývody akumulátoru o sebe. U obyčejných kondenzátorů je to při zkoušení a vybíjení běžné. Zapomeňte na to! Se superkondenzátory se musí zacházet jako s tvrdými akumulátory. I když na nich zbude třeba jen 0,2 V, nezkratovat přímo, pořád dají proud desítek až stovek ampérů a roztaví dráty!
Potřebujeme znát o svých kondenzátorech základní údaje, přinejmenším proudovou zatižitelnost, kapacitu, samovybíjení, dále se hodí (ale není kriticky důležitý) vnitřní odpor. Měřicí přístroje, které by toto zvládly, v obchodě nekoupíte, prostě nejsou. Ty, které se jim parametry jen blíží, stojí mnoho desítek tisíc. Nevadí, pomůžeme si jinak nebo si potřebné přístroje a přípravky postavíme.
Přesný přístroj LCR-8101 z produkce GW-Instek (dodává Micronix) za zhruba 155000 Kč se nejvíce blíží našim potřebám, ale jeho rozsah kapacit končí na 1F, o 3 až 4 řády níž, než bychom potřebovali.
Proud
Zásadně rozlišujeme trvalý proud (kondenzátor se nepřetržitě střídavě nabíjí a vybíjí tímto proudem – číselně je nejnižší), proud pulzní nebo maximální, jednorázový (po odběru třeba až do vybití kondenzátoru musí následovat čas na odpočinek) a proud zkratový (číselně nejvyšší). Ten poslední nikdy nezkoušíme, je jen teoretický, vypovídá jiným způsobem o vnitřním odporu kondenzátoru. Když máme udaje výrobce, budeme se jimi řídit.
Pokud není trvalý a pulzní proud superkondenzátoru uveden, hodně napoví konstrukce vývodů. Kondenzátory s drátovými vývody určenými k pájení do plošného spoje bývají dimenzované maximálně na 5 – 10 A, s vývody na oka nebo masivní pájené tuhé vývody do 20 až 50 A, ty největší se šroubovými vývody a leštěnými kontaktními plochami velkými desítky cm2 mají povolený proud až v řádu kA. Obecně platí, že kondenzátor se nesmí proudem (ať už trvalým nebo pulzním) výrazně zahřívat, může být vlažný, ve výjimečným případech se může dostat na 50ºC, ale ne víc! To už mnohonásobně klesá jeho životnost, a na mezi teploty může být jen 1000 hodin (proti standardním 10 rokům).
Pozor na jednorázový pulzní proud, i když se kondenzátor nezahřeje, mohly by se zahřát jeho vývody a dokonce přehořet, je třeba sledovat všechny části.
Samovybíjení
Samovybíjení zjistíme nejlépe tak, že všechny kondenzátory nabijeme paralelně na společné napětí těsně pod mezí (trvalého, ne špičkového) maxima. Pokud nejsou „rozhýbané“, necháme je zformovat udržováním na tomto přesně nastaveném napětí nejméně 48 hodin (!), častěji se doporučuje 72 hodin nebo dokonce tak dlouho, až se proud nemění. Má to smysl, během té doby klesne svodový proud až 100x. Přípravek pro formování a měření svodového proudu může vypadat třeba tak, jako na následujícím schématu, proud jednotlivými kondenzátory měříme jako úbytek na příslušném odporu. Po ustálení je proud kondenzátorem v podstatě roven svodovému proudu později v aplikaci.
Přípravek na formování a měření svodového proudu superkondenzátorů
Nabité zformované kondenzátory odpojíme a necháme v klidu. Změříme napětí po jednom, dvou a třech dnech. Když se rozjedou o víc než 10% napětí, je to už problém a zbytečná práce pro nutný balancer budoucí sady, ale stačí balancer pracující s relativně malým proudem. Takové kondenzátory rozhodně nejde používat v sadě jen chráněné omezovačem! Záleží na aplikaci. Tam, kde se v praxi kondenzátory udržují trvale nabité a balancované, pak se relativně rychle vybíjí (záložní zdroje), na samovybíjení až tak moc nesejde. Tam, kde mají co nejdéle držet napětí a pomalu ho vydávat nebo dokonce pracovat jen s omezovačem bez balanceru, je to kriticky důležitý parametr.
Kapacita
Kapacitu ve faradech nejsnadněji zjistíme podle vzorce C = I * (Δt / ΔU). Nabíjíme nebo vybíjíme kondenzátor konstantním proudem I (v proudovém režimu na univerzálním zdroji). Proud raději měříme multimetrem, než jen podle displeje na zdroji. Takže nastavíme konstantní proud, měříme stopkami (mobilem) čas Δt a voltmetrem změnu napětí ΔU za tento čas. Pokud možno volíme proud tak, aby nabití trvalo jednu až několik minut, pak bude měření stopkami dostatečně přesné. Meze napětí, při nichž odečítáme čas, je lepší volit ne úplně od nuly, ale třeba od 0,5 do 2,5 V pro kondenzátor s mezním napětím 2,7 V. Nesmíme zapomenout nabíjecí proud včas odpojit! Tato metoda měření kapacity, i když se to nezdá, je dost přesná.
Příklad malého stabilizovaného zdroje vhodného k měření
Příklad: Nastavili jsme proud přesně 2,00 A a připojili vybitý kondenzátor, měříme přímo na něm napětí. Při průchodu hodnotou 0,500 V spustíme stopky, při průchodu hodnotou 2,000 V stopky vypneme. Vypneme proud! Stopky ukázaly 1 minutu 22 sekund, to je 82 sekund. Kapacita kondenzátoru je 2*(82/1,5)=109,3 F.
Na přesně stejném principu můžeme postavit mikrokontrolérem řízený měřič kapacity i se zobrazením hodnot na displeji. Nahradí se tím nudné čekání, protože s většími kapacitami musíme buď použít úměrně větší proud (ne každý má přesný stabilní zdroj proudu třeba 50 A) nebo to prostě trvá déle. Třeba s kondenzátorem Maxwell 3400 F by to za stejných podmínek trvalo asi tak 42 minut.
Nemáme-li vhodný zdroj proudu, můžeme si postavit přípravek podle následujícího schématu. První obvod LM317T pracuje jako zdroj proudu přibližně 1 A. Velikost stabilizovaného proudu přesně změříme a poznamenáme. Druhý obvod pracuje jako zdroj nastavitelného napětí 1,3 – 3,0 V, nastavíme ho pod mez kondenzátoru, třeba 2,65 V pro kondenzátor 2,70 V. Oba obvody by měly mít dostatečně dimenzovaný chladič, bude-li mít navíc aktivní chlazení, tím líp, dost hřejí. Je-li chladič společný, „křídlo“ druhého IO (zdroje napětí) musí být od něj elektricky izolované. Přípravek se dobře hodí pro malé kapacity (asi tak do 10 F), s velkými bude čas dost dlouhý (3400 F nabije za cca 1,5 hodiny). Napájecí zdroj musí být s rezervou schopen dodávat proud 1 A, rozhodně nestačí malý síťový trafoadaprér, který má sobě napsáno 1 A.
Malý, jednoduchý, ale dostatečně přesný nabíjecí zdroj
Vnitřní odpor
Měření vnitřního odporu je méně přesné a není úplně nezbytné, dává ale představu o tom, jak lze kondenzátor využít, případně u kondenzátorů „z druhé ruky“ o jejich kondici. V parametrech můžeme najít dva údaje, pokud je zkratka jen ESR (ekvivalentní sériový odpor – tato hodnota totiž zahrnuje nejen sériový odpor, ale také třeba parazitní indukčnost kondenzátoru, a ta vůbec není malá), je to hodnota měřená střídavým signálem s frekvencí 1 kHz. Pokud najdeme zkratku ESR(DC), je to hodnota měřená při trvalém (mnohem delším) konstantním odběru jako vnitřní odpor bez jiných vlivů. My se zde budeme zabývat jen druhou možností.
Kondenzátor nabijeme těsně pod jeho mez napětí, měříme napětí přímo na svorkách. Lepší je, když má voltmetr rozsah 4,000 V než obvyklé rozsahy 0,2 – 2 – 20 V, protože pak musíme použít rozsah 20V a máme menší rozlišení. V tom případě raději měříme těsně pod napětím 2 V. Krátce připojíme výkonový rezistor se známým (přesně změřeným ) odporem (třeba 1,0 Ω) a rychle změříme napětí se zátěží. Rezistor odpojíme a opět změříme napětí bez zátěže. První a třetí měření bez odběru by se měly lišit maximálně o setiny voltu, když ne, budeme brát jejich průměr. Rozdíl napětí měřeného bez zátěže a se zátěží vydělíme proudem rezistorem, to je vše. Rozdíl ESR(DC) 20 – 30% u kondenzátorů v sadě může signalizovat problém třeba se stárnutím, ale sám o sobě tolik nevadí.
Příklad: počáteční napětí bylo 1,963 V, připojením odporu 1,00Ω napětí kleslo na 1,912 V, po odpojení se vrátilo na 1,957 V. První a třetí měření se liší, budeme brát jejich průměr: (1,963+1,957) / 2 = 1,960. Proud rezistorem byl I = U / R = 1,960 / 1 = 1,96 A. Vnitřní odpor je R = (U2 – U1) / I = (1,960 – 1,912) / 1,96 = 0,0245 Ω = 24,5 mΩ.
Měření ESR(DC) superkondenzátoru
Pohybujeme se hodně blízko rozlišení voltmetru a výsledek není přesný. Dokonce u opravdu kvalitních kondenzátorů nenaměříme takto vůbec nic, protože jejich odpor je třeba menší než 0,5 mΩ a rozdíl napětí bez zatížení a s ním je tak nepatrný, že ho vůbec nezaregistrujeme, nebo se projeví jen změnou o jednotku na posledním místě voltmetru. Museli bychom rozdíl zviditelnit mnohem větším přesně známým konstantním zatěžovacím proudem (třeba pro kondenzátory Maxwell 3400 F je tento měřicí proud 100 A, jenže máte přesnou zátěž stabilizující proud 100 A nebo přesný rezistor 25 mΩ / 250 W ?).
Vnitřní odpor mám dovolí rozlišit účel a stav neznámého kondenzátoru. Zálohovací kondenzátory pro paměti mohou mít odpor třeba 300 Ω, výkonnější třeba 1 Ω, ty určitě nebudou použitelné pro pohonné účely, i když mohou mít masivní vývody a na pohled tak vypadají. Kondenzátory pro vyšší odběr se pohybují asi tak v rozpětí 100 mΩ až 10 mΩ. Ty už použít půjdepro odběr v jednotkách, nejvýše desítkách ampérů. Kondenzátory pro audio (vykrývání špiček odběru zesilovače) nebo menší pohonné mají odpor asi tak od 10 mΩ do 1 mΩ, to je zcela srovnatelné s akumulátory Li-pol, na ně i nastartujete auto. Spičkové kondenzátory schopné dávat proud ve stovkách a tisících ampérů mají odpor 0,1 mΩ a menší … to už ale uvedeným způsobem těžko ověříme.
Nabíjení
Když nejde o měření, ale nabíjení v provozu, budeme potřebovat „trochu“ větší zdroj proudu, ale zase nemusí být nijak přesně stabilizovaný. Bude to asi zdroj spínaný. Poslouží třeba modelářská nabíječka v režimu NiCd nastavená na potřebný proud, není-li příliš chytrá a z počátečního stavu si neodvozuje počet článků a pak nekontroluje mezní napětí NiCd akumulátorů. K napájení nabíječe stačí obvykle napětí 12 V (autoakumulátor). Malé modelářské nabíječe jsou schopné poskytnout proud 5 nebo 6 A, střední asi tak 10 – 20 A, výkonné (a už podstatně dražší) kolem 40 A. Nabíječ neukončí sám nabíjení, o to se musíme postarat jinak, funguje v tomto případě jen jako zdroj proudu!
Malý modelářský nabíječ pro proud do 6 A
Můžeme také nabíjet třeba ze síťového zdroje 12 – 14 V nebo z autoakumulátoru přes žárovku (H4 do světlometů má kolem 55 W, ustálený proud kolem 4 – 5 A), můžeme nabíjet přímo ze solárního panelu, to je víceméně jedno.
Modelářský síťový zdroj 12 – 30 V / 0 – 30 A, s tím už se dá pracovat celkem svižně i s většími sadami
Aby nedošlo k přebití (překročení napětí), bude nutné použít automatický odpojovač proudu podobný tomu na dalším schématu.
Odpojovač proudu pro nabíjení superkondenzátorů
Jako zdroj referenčního napětí slouží stabilní obvod TL431, napětí na jeho výstupu je nastavitelné nejméně v rozsahu 2,5 až 2,8 V – to je dáno mezním napětím kondenzátoru. Navazující OZ porovnává referenční napětí a napětí na kondenzátoru a s hysterezí asi +/- 30 mV spíná výkonový FET tranzistor IRL2203N. Nabíjení se dá ručně vypnout zkratováním řídící elektrody spínačem proti zemi. Napájecí napětí přípravku by mělo být vyšší než 9 V, spotřeba nepřekračuje 5 mA. Druhý OZ z téhož pouzdra se stará jen o indikační LED, ta zhasne po nabití kondenzátoru. Na podobném principu může fungovat i odpojovač pro sadu kondenzátorů a používá se typicky při nabíjení ze solárních panelů.
V konci nabíjení LED několikrát blikne, má-li kondenzátor velký svod, bliká pravidelně v delších intervalech. Výhodou výkonového tranzistoru IRL2203N je, že při kvalitním buzení má odpor v sepnutém stavu pod 10 mΩ a lze s rezervou spínat proud 20 A, pro větší proud stačí dát dva (či více) tranzistorů paralelně.
Nabíjecí proud v řádu desítek ampérů se může zdát moc velký a nic nás nenutí jej používat, ale pokud chceme využít výhody rychlého nabíjení kondenzátorů, nic jiného nám nezbude. Když potřebujeme dostat energii dovnitř rychle a napětí je limitované, nic jiného než proud zvětšit nejde.
Vybíjení
Stále jsme u zkoušení jednotlivých kondenzátorů a jejich provozního vybíjení. Vybíjet můžeme jednoduše rezistorem, volíme třeba 0,22 Ω / 50 W nebo pomalejší 2,2 Ω / 5 W. Je to relativně levné, ale obecně není vybíjení rezistory výhodné. Jakmile totiž napětí klesne, je výkonová zatížitelnost rezistorů nevyužitá, a přitom vybíjení (v oblasti desetin voltu) velmi zpomalí. Je vůbec potřeba vybíjet až k nule, respektive do řádu setin voltu? Je, pokud chceme superkondenzátory spojovat paralelně, potřebujeme mít jistotu, že nenastane „zkrat“ respektive velký průchod proudu kvůli rozdílu napětí. I před transportem doporučuji kondenzátory vybít a dát na ně zkratovací propojku.
Modelářské nabíječe v režimu vybíjení NiCd jsou pro jednotlivé kondenzátory nepoužitelné, nebývají schopny vybít na menší napětí než asi 0,8 V. Pro sady s větším napětím jsou dobře použitelné, ale u levných přístorů bývá vybíjecí proud podstatně menší než nabíjecí, typicky jen 1 A, takže to také není zrovna rychlé.
Poněkud lepší než rezistor je vybíjení pomocí halogenové autožárovky nebo paralelní sady několika autožárovek. Například typ H4 do hlavních světlometů (Philips 60/55 W) má za studena odpor vlákna 0,18 Ω, při nažhavení napětím 1 V ale už 0,66 Ω a po připojení na napětí nabitého superkondenzátoru více než 1,5 Ω. To je pro nás výhodné, protože pokles odporu za studena až 10x urychluje vybíjení v závěrečné fázi.
Na následujícím schématu je elektronický vybíječ, který po většinu doby vybíjení pracuje s nastaveným konstantním proudem 0 až 20 A, čímž se vybíjení mnohonásobně urychlí. Jako regulační prvek je použit opět FET tranzistor IRL2203N, na němž může být výkonová ztráta až kolem 50 W, takže je na místě jej umístit na přiměřený aktivní chladič. Snímací rezistor proudu je standardní koupený 0,01 Ω / 5 W, včetně vývodů je jeho odpor trochu větší. Na jeho přesnosti moc nezáleží a keramické tělísko může být chlazené stejným proudem vzduchu jako hliníkový chladič.
Vybíječ jednoho superkondenzátoru
Tranzistor je řízený ½ obvodu LM358. Využívá se toho, že tento typ operačního zesilovače dobře zpracovává signály v těsné blízkosti nuly (respektive záporného pólu napájení). Napětí cca 2,5 V se získává z referenčního zdroje TL431 a na jezdci potenciometru 250 Ω se mění plynule od nuly nejméně do 0,24 V. Potenciometrem se nastavuje vybíjecí proud (lineárně) v rozsahu od nuly (jde spolehlivě vypnout) do více než 20 A. Jestliže napětí na vybíjeném kondenzátoru spolu s odporem přívodů, tranzistoru a snímacího rezistoru už nestačí k udržení proudu, zvýší se napětí na výstupu OZ až téměř k napájení (9 – 12 V) a rozsvítí se LED. To nastává kolem napětí 0,2 V na kondenzátoru, ale i pak vybíjení pokračuje v režimu konstantního odporu velikosti cca 30 mΩ.
Při praktickém použití se tímto přípravkem vybije 350 F kondenzátor velmi dobře do minuty, za dvě minuty je spolehlivě pod úrovní 0,01 V (a vybíjecí proud pod 0,2 A). Špičkové kondenzátory 3,4 kF by trvaly 10x déle. V případě potřeby rychlejšího vybíjení (větším proudem) není problém zapojit několik podobných vybíjecích bloků paralelně se společným řízením (referencí a potenciometrem) a zvýšit proud řekněme do 100 A.
Kat. 2