V seriálu o použití superkondenzátorů (první díl najdete zde), jsem zmínil jednak výborné zkušenosti s kondenzátory Maxwell a YEC, jednak mírně řečeno tristní výsledky kondenzátorů Samwha. Následně jsem se pokusil získat lepší přehled o kvalitě dostupných kondenzátorů od různých výrobců.
V současné době jsou celkem dobře dostupné kondenzátory s kapacitou 1 a 10 F, a to samozřejmě nepočítám zálohovací typy s vyšším vnitřním odporem, ale výhradně ty využitelné pro pohon nebo obecně pro vyšší proud. Některé firmy mají v sortimentu celou škálu kondenzátorů od 10 F po 3000 F. Asi nejširší sortiment jsem nalezl v nabídce firmy RS Components, která projevila ochotu poskytnout na změření a porovnání ze svého sortimentu „papírově“ podobné kondenzátory.
Do výběru bylo zařazeno pět typů kondenzátorů se jmenovitou kapacitou 100 F (v jednom případě 120 F), po jednom typu od různých výrobců. Vždy bylo zkoušeno 6 náhodně vybraných kusů od jednoho typu. Pro porovnání byl přidán i typ Samwha Green-Cap 100 F (není z nabídky RS), který byl ještě v závěru roku 2015 nejvíce nabízeným typem levných superkondenzátorů v čínských internetových obchodech. Tento typ byl často tím prvním a jediným, na němž se seznamovali amatéři s vlastnostmi a použitelností superkondenzátorů.
Postup zkoušení byl pro všechny kondenzátory stejný. Nejprve byly všechny kusy nabity přibližně na 95% maximálního provozního napětí a potom na tomto napětí udržovány 48 hodin kvůli zformování. Ani u jednoho z typů nebyla výrobcem předepsaná minimální doba formování, 48 hodin je běžná hodnota, někdy se udává i 72 hodin. Potom byly kondenzátory odpojeny, změřeno napětí, ponechány 24 hodin v klidu a opět změřeno napětí. Z úbytku napětí se dá snadno vyčíslit ztráta uložené energie nezávislá na kapacitě. Tento údaj je v předpokládaném využití názornější a lépe porovnatelný, než většinou udávaný svodový proud.
Při měření kapacity byly kondenzátory nabíjeny proudem 0,5 A (tj. přibližně 5 mA / 1 F) na napětí 2,5 V. Pak byly vybíjeny konstantním proudem 500 mA a zaznamenána doba mezi průchodem mezí napětí 2,00 V a 1,00 V. Z tohoto rozdílu byla spočtena kapacita.
Při měření ESR byly kondenzátory nabity proude 0,5 A na napětí 2,5 V. Pak byly vybíjeny proudem 500 mA a v blízkosti napětí 2,00 V byl změřen úbytek napětí pomocí 10 pulzů proudu 500 mA, totéž v blízkosti napětí 1,00 V. Zaznamenány byly hodnoty ESR při 2,00 V, nicméně ve všech případech byly rozdíly při napětí 2,00 V a 1,00 V zanedbatelné.
Následně byly z naměřených rozměrů, hmotnosti a průměrné kapacity spočteny poměry kapacity / objemu a kapacity / hmotnosti. Výsledky shrnuje tabulka, sloupce zleva obsahují typ kondenzátoru a jeho skladové číslo kvůli jednoznačné identifikaci, průměrnou kapacitu, rozptyl kapacity, průměrné změřené ESR a jeho rozptyl, průměrné ztráty energie během prvních 24 hodin při výchozím napětí blízkém maximálnímu, rozptyl ztrát, měrnou kapacitu vztaženou ke skutečné hmotnosti a měrnou kapacitu vztaženou ke skutečnému objemu.
Tabulka výsledků
Tabulka řekne hodně, ale rozhodně ne vše, v některých případech dokonce strohá čísla zkreslují dokonce i úplně zakrývají skutečnost. Proto je třeba doplnit výsledky podrobnějším komentářem.
Kondenzátor Rubycon byl jednoznačně nejlepší co do vyrovnanosti kapacity, ztrát i ESR, odchylky mezi kusy byly na mezi rozlišitelnosti měření. Vyrovnanost ukazuje na velmi kvalitní materiály i technologii výroby, takže lze očekávat i lepší životnost, než by odpovídalo „standardním“ údajům výrobce. Nároky na balancování v sadě budou minimální. Tento typ měl výrazně nejmenší ztráty energie, poloviční až třetinové (!) proti ostatním. Je velmi vhodný tam, kde je důležité uchovat maximum energie po delší dobu (hodiny až dny), ale není potřeba velký nabíjecí ani vybíjecí proud, přestože i z tohoto hlediska jsou hodnoty ESR mnohem lepší (asi 9x), než výrobce udává.
Nevýhodou jsou drátové vývody, které bohužel omezují využitelný maximální proud. Další nevýhodou jsou podprůměrné hodnoty měrné kapacity jak vzhledem k objemu, tak hmotnosti. Nižší povolené napětí 2,5 V tento typ zhruba o 15% znevýhodňuje v maximálním množství uložené energie. Kondenzátor Rubycon byl také nejdražší z měřených (731 Kč/ks), přibližně 3x dražší než výrobek Kemet. Má smysl jej zvolit do aplikací, kde je prvořadá vyrovnanost a malé ztráty v čase.
Kondenzátor Cooper Bussmann s velkou rezervou splnil tolerance kapacity i ESR, měl také největší přebytek kapacity proti jmenovité hodnotě. Je jasným vítězem v poměru kapacity a objemu (2x lepší než Nichicon) a obsadil těsně druhé místo v poměru kapacity a hmotnosti. Hodnoty kapacity i ESR byly výborně vyrovnané, ztráty přijatelné. Má smysl jej zvolit, když je důležitý malý objem nebo hmotnost. Větší odběr proudu omezují drátové vývody, nicméně vykrytí krátkých špiček odběru snadno zvládne. Při zkratu se vývody přepálí, to může být v některých případech i výhoda. Cena 426 Kč/ks je s ohledem na vynikající poměr kapacity a objemu zajímavá.
Výrobek Ioxus měl proti ostatním neobvykle úzkou toleranci kapacity, jen -5 / +10%. Všechny vzorky ji těsně splnily, ale všechny také měly (na rozdíl od předchozích dvou typů) nižší než jmenovitou kapacitu, průměrně o 4%. Kondenzátor s vývody snap-in je určen pro vyšší odběr proudu, podle parametrů by měl snést trvalý proud 13 A, po dobu 1 s krátkodobý odběr 95 A, teoretický zkratový proud může přesáhnout 600 A. Udávaný ESR 3,6 mΩ některé vzorky těsně splnily, jiné těsně nesplnily, rozdíl byl ale velmi malý a neprokázaný, víceméně v toleranci měření.
Výhodou je vzhledem k malému vnitřnímu odporu schopnost vykrýt krátké špičky odběru až do 50 – 100 A, může zvládnout i podporu rozběhu pohonů nebo napájení menších startérů. Velmi slušné jsou i poměry kapacity k objemu a hmotnosti. Nevýhodou je nižší než jmenovitá hodnota kapacity a větší ztráty energie, k delšímu uložení se tento typ moc nehodí. Při opakovaných měřeních kapacity vycházely o 4 až 5% nižší hodnoty už za hranicí tolerance, plné (zaznamenané) kapacity se dalo dosáhnout jen po delším podržení nabíjecího napětí. Cena 315 Kč/ks se vzhledem k slušným výsledkům jeví jako dobrá i pro univerzální použití.
Kondenzátor Nichicon EVerCAP měl jako jediný ze zkoušených jmenovitou kapacitu 120 F, hodnota 100 F v nabídce nebyla. Toleranci kapacity (±20%) vzorky splnily s velkou rezervou stejně jako toleranci ESR, průměrná kapacita byla nepatrně nižší než jmenovitá.
Na kondenzátor s vývody snap-in má tento typ deklarovaný nečekaně vysoký ESR (50 mΩ) a i když jsou reálné hodnoty zhruba 3x lepší, ukazuje to, že asi nebyl určen k vyššímu odběru. Nižší povolené napětí 2,5 V jej zhruba o 15% znevýhodňuje v maximálním množství uložené energie. Rozptyl kapacity jednotlivých kusů byl nejhorší z porovnávaných kusů stejně jako měrná kapacita vzhledem k objemu i vzhledem ke hmotnosti a také ztráty samovybíjením vyšly nejhůř. K tomu je těžké něco dodávat. Vzhledem k ceně 522 Kč/ks nelze tento kondenzátor označit jako výhodný pro žádný z uvažovaných způsobů využití.
Kondenzátor Kemet má udávanou toleranci kapacity -0 / +20% a všechny vzorky ji splnily, průměrná kapacita byla proti jmenovité vyšší o 5%. Kondenzátor s vývody snap-in má deklarovaný špičkový proud po dobu 1 s 95 A, trvalý proud 13 A, teoretický zkratový proud přes 600 A (stejně jako Ioxus). Udávaný ESR 3,6 mΩ splnilo 5 vzorků ze 6, průměr byl těsně v toleranci. Tento typ je vítězem v nejnižším změřeným ESR a tedy nejlepší schopností dodat velký (zejména pulzní) proud. Současně dosáhl nejlepší měrné kapacity vzhledem k hmotnosti a druhé nejlepší měrné kapacity vzhledem k objemu. Hodnoty ztrát samovybíjením jsou ale horší než průměr, k delšímu uložení energie se nehodí. Také rozptyl kapacity je podprůměrný a rozptyl ztrát nejhorší ze všech, ale i přes to nezpůsobí závažný problém. Naopak rozptyl ESR vyšel nejlépe ze všech.
Tento typ kondenzátoru byl nejlevnější z porovnávaných, jeho cena činila 241 Kč/ks. S ohledem na dosažené výsledky, zejména vynikající schopnost vykrýt špičky odběru až do 50 – 100 A a poměr kapacity a hmotnosti i objemu se jeví jako výrobek jako výrazně nejlepší v poměru ceny a užitné hodnoty.
Od počátku bylo jasné, že kondenzátory SAMWHA Green-Cap nabízené v čínských internetových obchodech v sadách za kusovou cenu už od 1,50 USD „hrají úplně jinou ligu“. V předchozím srovnávání tento typ ani není zahrnut, nemělo by to smysl, je přidán na konec jen pro porovnání, aby bylo jasné, jaký je rozdíl mezi prvotřídními výrobky (byť se vzájemně liší v některých parametrech až 3x) a tím, co můžete očekávat, když si objednáte „cenově výhodnou“ nejrozšířenější nabídku. Výsledek je ještě mnohem výraznější, než se snad dalo čekat.
Technické parametry se většinou žádné neuvádějí a pokud ano, jsou často nesmyslné. Ve všech vzorcích nedržel vnitřní obsah v pouzdře, při pohybu bylo slyšet, že se vnitřek v hliníkovém krytu pohybuje a naráží, to znamená kritické nebezpečí přerušení vývodů uvnitř pouzdra. Ze sady 20 ks byly 2 ks úplné zmetky (přerušené), 1 ks „odešel“ v průběhu měření. Do výsledků bylo započítáno náhodně vybraných 6 kusů, které se dožily konce měření.
Rozptyl kapacity byl obrovský, konkrétně to bylo od 62 do 92 F. Průměr 71 F by se vešel do nejměkčího používaného tolerančního pásma (-30%), ale z šesti kusů nebylo vůbec možné sestavit funkční sadu, maximálně vybrat jednu dvojici. U všech ostatních typů šlo použít v sadě všechny kusy ze šestice. Také rozptyl ESR byl obrovský, hodnoty od 18 do 93 mΩ. ESR prakticky vylučuje výkonové použití a je několikanásobně horší, než u ostatních typů v podobném provedení. Měrné kapacity nevyšly úplně špatně, ovšem samy o sobě použitelnost nezajistí.
Nijak jinak než jako katastrofální nelze označit ztráty samovybíjením. Měření po dobu 24 hodin (je zahrnuto v tabulce kvůli tomu, aby byl „stejný metr“) vůbec nemá smysl brát v úvahu, protože pokles napětí byl tak velký, že už se víceméně zastavil. Tím samozřejmě vychází malý rozptyl, ovšem skutečnost je zcela jiná! Proto bylo provedeno druhé měření jen po dobu 3 hodin, aby se rozdíly vůbec mohly projevit. Průměrná ztráta během 3 hodin vyšla 28,7% (nejmenší 15,6%, největší téměř 50%) a rozptyl 155,4.
Může se zdát, že výhodou těchto kondenzátorů je opravdu nízká cena, ovšem vzhledem k tomu, jak velkou mají zmetkovitost, že z nich těžko sestavíte funkční sadu, a že v podstatě nedají použít ke konstrukci reprodukovatelného zařízení, se i tato cena zdá příliš vysoká. K uchování energie už v horizontu hodin jsou zcela nepoužitelné. Snad se dají zužitkovat jednotlivě na „hraní“ a pokusy, ale to je vše. Když si někdo jen podle nich udělá obecný názor na využitelnost superkondenzátorů, pak je tento názor bohužel velmi zkreslený.