Просто супер конденсаторы.

Иногда хочется пощекотать себе нервы копаясь в устройстве, в котором сосредоточена огромная электрическая энергия..... не буду оригинальным и повторюсь про то, что емкость металлического шара, размером с нашу Землю - составляет чуть больше 700 мкФ, а шар емкостью 1 фарада должен быть в 13 раз больше, чем солнце...

А тут емкости 10..20.. 40..100..600....3000 фарад.. зашибись, как опасно и интересно.

Основной порядок работы и ремонта таких устройств (гибридные силовые конденсаторы или сборки суперконденсаторов): если зарядил - разряди и потом измеряй/паяй.

Разряжаю обыкновенной галогенной лампочкой 12 вольт 30 Вт.

При превышении максимального разрядного тока конденсатора значительно сокращается его срок службы.. вплоть до механического разрушения.

Поэтому при измерениях нужно быть очень осторожным, чтобы не замкнуть один-два суперконденсатора накоротко - они очень легко могут выйти из строя, да и электролиты этого тоже не любят.

В последовательном соединении суперконденсаторов (ultracapacitor) есть один немаловажный нюанс: ОНИ ВСЕ ДОЛЖНЫ БЫТЬ ИДЕНТИЧНЫМИ по параметрам (одной фирмы, одинаковой емкости и т.п.), поэтому даже если в батарее вышел из строя только один суперконденсатор, то надо менять на новые все шесть штук (или если и ставить, то точно того-же производителя, серии и номинала).

Также нужно соблюдать осторожность при разборке гибридников, у которых есть функция индикации потребляемого тока - чтобы не сломать датчик Холла, который вклеен в ферритовый тор - нужно в первую очередь разобрать, полностью отсоединить и вынуть плату контроллера вместе с тором.

Должен предупредить о том, чтобы даже не помышляли разбирать суперконденсаторы и смотреть что там внутри. Об этом производители обычно не сильно распространяются, но многие (так называемые - намоточные) суперконденсаторы не соответствуют экологическим нормам в связи с использованием в нем высокотоксичного органического электролита на основе ацетонитрила.

Именно этим и определяется максимальное напряжение суперконденсаторов - электролит на основе ацетонитрила при напряжении выше 2,7 вольт начинает разлагаться....

Традиционное название ацетонитрила - нитрил уксусной кислоты...этот растворитель ядовит для нервной системы, вызывает раздражение кожи, токсичен для желудочно-кишечного тракта и печени, тератогенный, смертельно опасен при приеме внутрь...обладает наркотическим эффектом, действует на ЦНС, печень, почки, подавляет тканевое дыхание, проникает через неповрежденную кожу и вызывает нарушение функции ЦНС, тошнота, рвота, цианоз, при тяжелых отравлениях отек легких, поражение дыхательного центра. 

http://www.xumuk.ru/vvp/2/151.html

Остается добавить, что чистый ацетонитрил взрыво и пожароопасный материал (температура воспламенения 6°С, были эксперименты использования ацетонитрила в качестве ракетного топлива).

Ясно, что наука не стоит на месте и сейчас уже есть  разработанные суперконденсаторы с

нетоксичным органическим электролитом на основе ионной жидкости с напряжением разложения 3,5 вольт.... кто его знает где применен токсичный, а где нетоксичный электролит... поэтому лучше не рисковать.

Tsunami X15HCAP-40.

Проблема: владелец жаловался, что за несколько дней этот гибридник полностью разряжает аккумулятор в машине.

Смотрим - действительно, этот Цунами после зарядки в выключенном состоянии  потребляет в среднем ток 250-300 мА... (ток потребления прыгает от 150 до 550 мА).

Разбираем... внутри ничего интересного - контролер с индикацией напряжения и тока, два электролита и две батареи суперконденсаторов по 6 штук 100 фарадных конденсаторов в каждой - итого 12 штук суперконденсаторов.

Для тех, кто совсем не знаком с гибридными конденсаторами немного поясню, почему там так много стоит никелированных баночек, которые красиво подсвечиваются разноцветными (синими, красными) светодиодиками:

суперконденсаторы не удается сделать на большие напряжения, поэтому максимальное напряжение на которое они рассчитаны, составляет 2,3-2,7 вольта и уже есть на 3,5 вольта.

Таким образом, что бы применить суперконденсаторы  в автомобиле - их нужно соединять  последовательно и минимальное количество получается 6 штук (6*2,7=16,2 вольта), а максимальное количество, которое я видел в гибридниках - 8 штук (8*2,3=18,4 вольт).

При последовательном соединении одинаковых конденсаторов их общая емкость получается делением емкости одного конденсатора на их количество ( 100 фарад/6= 16,7 фарад)

Таким образом теоретически этот 40 фарадник состоит из 16,7*2 + (2 электролита .. примерно по 1,5-2 фарады) 2*2 =37 фарад (хотя там только суперконденсаторов в сумме набегает аж на 1200 фарад!)

Про необходимость балансировки или выравнивания напряжения на суперкондесаторах можно почитать здесь:

http://cyberleninka.ru/article/n/metody-balansirovki-napryazheniy-superkondensatornyh-elementov

Проверяем суперконденсаторы - четыре неисправных вычисляются сразу  (на них больше всех падает напряжение), а  один под вопросом....

Пока остается вариант: оставшиеся исправные суперконденсаторы собрать в одну батарею и посмотреть что из этого получится.

Итого - из 12 штук суперконденсаторов, 5 штук оказались неисправными, 6 исправных впаиваем в плату и  один исправный  будет запасным.

Выбранные (6 штук)  исправные суперконденсаторы в установившемся режиме потребляют около 20 мА. Это уже нормально (есть гибридники как и новые, так и  после некоторого времени эксплуатации - потребляют в холостом режиме 30-60 мА), поэтому двигаемся дальше.

Заказываю 6 штук суперконденсаторов SAMWHA DB5U107W22045HA....тут особо не разгонишься, круг производителей качественных суперконденсаторов пока не такой большой. До этого для ремонта гибридников до 10 фарад я обходился суперконденсаторами в 25-50 фарад от Nesscap Co., Ltd, но там 50 фарад - это самый большой номинал.

Готовимся впаять 100 фарадники на плату:

Никелированные колпачки со стоковых конденсатов придется не одевать, так как новые суперконденсаторы примерно на 1 мм выше.. иначе не собирается корпус гибридника.

Да и эти никелированные колпачки, надетые на конденсаторы - приклеены каким-то клеем, сами колпачки сделаны из тонкого алюминия, поэтому все попытки их снять с суперконденсаторов приводят к разрушению самих колпачков.

Собираем конденсатор:

Включаем и измеряем ток потребления.
Во включенном состоянии конденсатор потребляет 0,5 ампера, в выключенном состоянии через час - примерно 30 миллиампер.

Винтики и шины.

Просто упомяну для приличия....
Внутри все соединения сделаны шиной сечением примерно 20-25 мм кв.
Минусовой вход и выход цельные.
Плюсовой вход и выход разделены и прикручены к шине  каждый двумя винтиками М4!

Немного цифр про суперконденсаторы..

Возьмем для начала, к примеру, суперконденсатор NESSCAP® емкостью 50 фарад, напряжение 2,7 вольта (ESHSR-0050C0-002R7).

Максимальный разрядный ток (разрядка за 1 секунду до половины напряжения) - 35,5 ампер.

Внутреннее сопротивление - меньше 18 миллиом.

Диаметр выводов у этого суперконденсатора  - 0,8 мм.

Соединяем последовательно 6 штук... естественно, что общее внутреннее сопротивление такой батареи станет .. возьмем 15 миллиом*6= 90 миллиом. Пока будем считать без учета реальных переходных сопротивлений на контактах и сопротивлений силовых кабелей.

При работе в автомобиле, предположим, что с напряжения (при работающем двигателе) 14,2 вольта и при каком-то большом токе потребления усилителями, напряжение просядет до 11,8 вольт.

Батарея суперконденсаторов выдаст: 14,2-11,8= 2,4 вольта/0,09 Ом= 26,6 ампер.

Все хорошо, тут максимальный ток суперконденсатора явно не превышается.

Если машина не заведена, то считаем просадку с 12,4 до 11,4= 1 вольт/0,09 Ом = 11,1 ампер.... тут еще лучше.

Посчитаем на тех же условиях суперконденсатор SAMWHA DB5U107W22045HA.
Максимальный разрядный ток -  67,5 ампера
Внутреннее сопротивление - 10 миллиом.
6 штук последовательно - 6*0,01 Ом= 0,06 Ом.

2,4 вольта/0,06 Ом=  40 ампер

1 вольт/0,06 Ом= 16.6 ампера.

Учитывая, что в Цунами стоят две батареи по 6 суперконденсаторов, токи удваиваем и получаем 80 ампер и 33 ампера. Так уже несколько лучше.

Но учитывая переходные сопротивления как внутри Цунами, так и силовых кабелей, токи можно опять уменьшить вдвое.

Таким образом вклад именно суперконденсаторов в выдачу тока для источников потребления в гибридных конденсаторов относительно небольшой,..... а в гибридных конденсаторах до 10 фарад (с одной батареей) составляет примерно 3-5 ампер... хотя тут все зависит от того, сколько параллельно стоит батарей. Например, в гибриднике "PHOENIX GOLD POWERCORE 20" стоит 36 батарей по 8 штук в батарее суперконденсаторов номиналом  20 фарад на 2,5 вольта!!

Хочется конечно допустить, что именно в гибридных конденсаторах производители ставят специальные и дорогие (с очень-очень низким внутренним сопротивлением) специальные ультрасуперпуперконденсаторы...  да, даже самому смешно стало.

А если внимательно читать даташиты суперконденсаторов, то указываемый Максимальный пиковый ток - это лишь всего контрольная величина с помощью которой можно рассчитывать рабочий ток (ток, который может быть применен в разрешенном диапазоне температур при режиме разряда постоянным током) и он должен быть гораздо меньше, чем максимальный пиковый ток!!!! У суперконденсаторов до 100 фарад рабочий ток обычно в 3-4 раза меньше максимального тока. При превышении максимального тока надежность суперконденсатора уменьшается - они попросту дохнут.

Общая картина такая -  в режиме нормальной эксплуатации суперконденсаторов в составе гибридников, их максимальный ток так или иначе ограничен реальными переходными сопротивлениями на контактах и сопротивлениях силовых кабелей и в основном болтается в районе рабочих токов.

Основной ток в 200-300 ампер (на 0,01 секунду) по идее должен добавлять электролитический(е) конденсатор(ы), у которых внутреннее сопротивление при постоянном токе: у отличных фирменных конденсаторов составляет 0,8-4 миллиома..... 5-9 миллиом у среднего качества  и от 20 и выше миллиом у китаноунеймов.

Причем многие производители явно передергивают факты, указывая в параметрах  на автомобильные силовые конденсаторы параметр ESR на частоте 120 Гц.... а реально-то силовые конденсаторы работают в автомобиле на постоянном токе  и внутреннее сопротивление на DC  в 1,5-5 раза выше, чем на переменном.

Дальше считайте сами.

Про токи утечки.

Каждый конденсатор характеризуется таким параметром, как ток утечки - то есть заряженный конденсатор с течением времени теряет заряд (так называемый саморазряд конденсатора) и будучи подключенный к постоянному напряжению, конденсатор будет все время подзаряжаться, естественно потребляя ток.

Чем больше емкость суперконденсатора, тем у него больше ток утечки (Leakage Current).

Согласно даташита, например, у 100 фарадного конденсатора SAMWHA ток утечки составляет 0,27 мА... уже у 400 фарадного - 1,08 мА, у 3000 фарадного - 12-18 мА.

Реально ток утечки даже у новой батареи из 6 шт. 100 фарадных суперконденсаторов, вместе

со схемами выравнивания/балансировки разброса их характеристик/контроля, составляет как минимум 10-15 мА... и со временем становится все больше и больше, а если случайно накоротко замкнуть силовой конденсатор (хотя для самой батареи суперконденсаторов вроде как и не страшно, так как максимальный ток уже ограничен из-за их последовательного сопротивления) - то ток утечки может сразу увеличится в три-пять раз (доказано практикой).

Но какой-бы ток не выдавали силовые многофарадные конденсаторы - при таких емкостях они в любом случае суперотлично работают в качестве конденсатора фильтра питания, помогающего эффективно отфильтровать помехи от автомобильного генератора переменного тока, от топливного насоса, ШИМ регуляторов освещения и др., а также немного стабилизируют напряжение питания в автомобиле. Хотя для сглаживания всех основных помех в автомобиле достаточно использовать конденсаторы Helix Cap 33, SAMWNA GT, ELZET CD13H, Jamicon RP, Nippon Chemi-Con E36D, KEMET ALS30/31 или другие подобные (с Ripple current 15-30 ампер и выше), или батареи конденсаторов (составленных из низкоимпедансных конденсаторов 1000,0-4700,0 мкФ) общей емкостью 0,033-0,15 фарады (к примеру, как я делал блок конденсаторов для усилителя Helix B2)..  - дальше уже от лукавого, конкретного усилителя/усилителей, конкретного автомобиля.. и т.д.. Конденсаторы нужно подсоединять как можно ближе к входным клеммам питания усилителя.

И еще немного про конденсаторы и АКБ, которые нужны для получения хорошего автозвука.

Хороший АКБ с низким внутренним сопротивлением - это в любом случае снизит пульсации в питающем напряжении усилителей, которые приходят как от генератора, так и от самих усилителей.

Немного про измерения тока потребления усилителями... хоть все об этом знают, но повторюсь.

В автомобильных усилителях часто внутри находится преобразователь DC/DC и поэтому входной ток усилителя имеет две компоненты - переменную составляющую тока (Input Reflected или Back Ripple Current) и постоянную составляющую, которая меняется в зависимости от нагрузки.

Переменная составляющая (в зависимости от производителя усилителя) может составлять от 1 до 10%, (по ГОСТам для преобразователей DC/DC эта переменная составляющая тока не должна превышать 2,5%).

Ни клещи, ни амперметр цифрового мультиметра в режиме измерения постоянного тока эту переменную составляющую не измерят.

Далее - каждый может сам поставить эксперимент: устанавливаем на выходы усилителя резистивную нагрузку (это чтобы было тихо), а в цепь питания ставим  резистор мощностью 5-10W номиналом 0,05-0,1 Ом (можно просто прицепиться к силовому проводу: к +АКБ и к клемме + усилителя, то есть сам силовой провод сойдет за резистор) и к этому резистору подсоединяем динамик (наушник, колонку и т.п.). Включаем усилитель, выставляем приличную громкость и слушаем в этом динамике “музычку”... ясно, что с сильными искажениями и малым количеством ВЧ, но, тем не менее, достаточно громко и можно понять, что и кто играет и даже разобрать слова.

Таким образом, при реальной работе усилителя во входном токе появляется еще одна переменная составляющая от 5 до 10%, которая так же не измеряется токоизмерительными клещами и амперметрами в режиме DC.

И как уже стало понятно - когда пытаются измерить ток потребления усилителя на синусе или другом музматериале, ошибка по общему измеренному току может достигать 10% (то есть клещами измерили 100 ампер, а на самом деле усилитель реально потребляет 110 ампер).

Но я не об этой ошибке в измерениях, идём дальше.

Самое плохое, что когда стоят несколько усилителей, то понятно, что их преобразователи DC/DC работают на разных частотах, а это приводит к тому, что кроме переменных составляющих отраженного входного тока и звукового материала, в цепях питания усилителей образуются перекрёстные помехи, получившие название «наводки на частоте биений» (beat frequencies), к примеру: у одного усилителя номинальная рабочая частота 40 кГц, а у второго усилителя 42 кГц – будут биения 2 кГц..  И как все остальные помехи и наводки, биения так или иначе проникают в звуковой сигнал (к сожалению, у многих усилителей развязка между входным питанием и того, что проникает на выход усилителя, составляет 10-20 дБ). Вариантов биений, которые могут возникнуть - море, насколько они проникли в выходной сигнал – непредсказуемо и кому как «повезло». Даже если их не слышно, это не означает, что в сигнале ничего нет. Из всего вышесказанного следует, что в питании усилителей существуют разные переменные составляющие (как по частоте, так и по уровню) и факт, что при установке АКБ типа AGM (или АКБ с очень низким ESR), или при подсоединении конденсатора(ов) на входах питания усилителей.. звук на ВЧ становился чище, СЧ переставали мылить, басы заиграли глубже (особенно, когда речь об аппаратуре высокого конца).

Причем речь не идет о каких-то многофарадных емкостях, я выше уже писал, что во многих случаях для подавления дифференциальных наводок (а остаются еще синфазные) достаточно конденсаторов емкостью 33-100 тысяч мкФ на 25-63 вольта, которые будут подсоединены параллельно АКБ и клеммам питания каждого усилителя.

И еще один интересный момент. 

Специально не запоминал, но по разным форумам встречал, что часто непонятные гудения на низких частотах возникают с усилителями одной фирмы (где преобразователи сделаны по однотипной схеме, работают примерно на одной частоте и, разумеется, биения возникают на частотах 10-300 Гц). Как правило, после замены одного их усилителей проблема пропадала, и далее никто не разбирался в причинах такого явления.

И как пример того, что вначале показалось непонятным, но если рассматривать с точки зрения возникновения биений, то становится понятным: в усилителях Sony серии XES задающие генераторы преобразователей DC/DC кварцованы (задающий генератор сделан на кварце 5,6435 МГц и микросхеме MC14060B, с выхода Q7 частота 44,09 кГц поступает на ШИМ контроллер)! Ясно, что даже при максимальном разбросе кварцев частота биений будет в пределах до единицы герц. Возможно, что кроме всего прочего и отсюда растут ноги хорошего звука этих усилителей при их совместной работе (XES M1 и M3)? Ведь как раз наиболее эффективный способ борьбы с биениями и заключается в синхронизации одной частотой всех конвертеров, одновременно работающих в системе электропитания... ну или хотя-бы их максимальной одинаковости.

И вообще - сейчас в большинстве современных ГУ, процессоров на борту имеются преобразователи DC/DC, импульсные стабилизаторы и т.п. для питания цифровой логики, сервоцепей, аналога - которые работают на частотах 25-30 кГц и т.д.. И часто именно биения между всеми этими частотами (преобразователей напряжений головы, процессора, усилителя) губят пространство, глубину и ширину сцены.... их не слышно, а они губят. Обычно история заканчивается тем, что меняется, к примеру, усилитель - и всё вдруг заиграло как положено. И только опытный инсталляторщик доведет до ума машину, правда его секреты так и остаются нераскрытыми (а там всего-то и делов было - повысить/уровнять частоты ПН... или убрать

синфазные помехи/биения от преобразователей DC/DC и т.д. и т.п.) - это вам не межблоки перетыкивать.

Часто вопрос по синхронизации возникает, когда в инсталляции совмещаются усилители класса D и AB, а некоторые производители усилителей уже сразу предусмотрели специальные входа/выхода (или  Audio Network) для синхронизации мощных усилителей класса D (пока нашел что это делается в мощных эстрадных усилителях и, как правило, в микросхемах драйверов, в  интегральных УМЗЧ класса D мощностью 50 Вт и выше (например TDA8920 и другие подобные)).

Как задумка на будущее - при оказии попробую кого-то уговорить (там, где трехполоска с 3-4 разными усилителями), чтобы во всех усилителях в преобразователях DC/DC поставить/сделать кварцованные задающие генераторы на одинаковую частоту (или вообще синхронизировать) и посмотреть, что станет со звуком.

Продолжение следует.






Примечания:

Наборные суперконденсаторы

ИКЭ 16/14
12ПП-4/0,001

EMHSR-0200C0-016R0S Nesscap
EMHSR-0500C0-016R0S Nesscap
HPNP3R2200B

LiFePO4

12v150000f super capacitor battery