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Supercap, 10 Farad und 20 Farad

Kondensatoren mit extrem hohen Kapazitäten lassen sich als Energiespeicher einsetzen und ersetzen kleinere Akkus. Die neuen "Supercapacitors" von NuinTek zeichnen sich durch besonders geringe Abmessungen und kleine Masse aus. Kapazitäten von 10 Farad und 20 Farad erlauben neue Anwendungen. Hier die wichtigsten Hersteller-Daten im Überblick:

Kapazität	10 F	20 F
Maximale Spannung	2,3 V	2,5 V
Serienwiderstand bei 1 kHz	0,05 Ohm	0,03 Ohm
Leckstrom	40 µA	80 µA
Durchmesser	10 mm	16 mm
Länge	30 mm	25 mm
Masse	2,35 g	5,02 g

Mögliche Anwendungen dieser Kondensatoren liegen im Modellbau und in LED-Taschenlampen. Das Verhalten beim Laden und beim Entladen soll hier mit dem SIOS-Interface und TurboCompact genauer untersucht werden.

Die Messung wird über ein kleines DoIt-Programm gesteuert. Das SIOS lädt den Kondensator zunächst über einen Widerstand von 5,1 Ohm auf, bis die Ladespannung von 2,3 V erreicht ist. Danach wird de Ausgang umgeschaltet und der Kondensator bis auf 1 V entladen. Gleichzeitig zeichnet der TY-Schreiber in TutboCompact die Kondensatorspannung auf. Bei diesem Versuch werden Ladeströme von bis zu 1 A verwendet.

PROGRAMM
 Wiederhole
        Ausgang 0 = I
        Wiederhole
        Bis A-Eingang > 115
        Ausgang 0 = O
        Wiederhole
        Bis A-Eingang < 50
 Bis Tastendruck
ENDE.

Messung mit Supercap 10F

Messung mit Supercap 20F

Die Lade- und Entladekurven zeigen deutliche Sprünge beim Umschalten der Laderichtung. Diese sind auf die unvermeidlichen Verlustwiderstände der Kondensatoren zurückzuführen. Bei einer Stromänderung von 1 A entsteht beim 10-F-Supercap ein Spannungssprung von ca. 0,5 V. Daraus ergibt sich ein Serienwiderstand von ca. 0,5 Ohm. Der Hersteller gibt einen Serienwiderstand von 0,05 Ohm an, was allerdings bei 1 kHz gemessen wurde. Für den 20-F-Typ wird entsprechend 0,03 Ohm bei 1 kHz angegeben und ca. 0,3 Ohm gemessen.

Bei vollständig geladenem Kondensator kann mit einem Kurzschlussstrom von ca. 5 A gerechnet werden. Ein kurzer Test mit einem Digitalmultimeter erbrachte etwa 6 A. Aber Vorsicht, der Hersteller gibt keinen erlaubten Spitzenstrom an. Man kann jedoch eine thermische Belastung von ca. 15 W ausrechnen, was für einen Kondensator dieser Größe erheblich zu viel sein dürfte. Deshalb sollte man Lade- und Entladeströme über 1 A vermeiden.

Entladung über 100 Ohm

Um die genaue Kapazität des Supercap zu bestimmen, reicht die erste Messung nicht aus. Hier verfälschen die internen Spannungsabfälle der Leistungstreiber im SIOS das Ergebnis. Man kann aber erkennen, dass das Kapazitätsverhältnis beider Kondensatoren tatsächlich 1 zu 2 beträgt. Ein zweite Messung zeigt die Entladung über einen 100-Widerstand. Für 10 Farad und 100 Ohm ergibt sich eine Zeitkonstante T=RC von 1000s. In dieser Zeit sollte die Spannung auf einen Faktor 1/e=0,37 abgesunken sein, also von 2,3 V auf 0,85 V. Tatsächlich zeigt die Messung eine Zeitkonstante von 1200 s, die Kapazität beträgt also 12 F . Der Hersteller gibt die Kapazitätstoleranzen mit -10%/+30% an.

Eine weitere wichtige Frage ist, wie sich ein Supercap bei Überladung verhält. Dazu wurde ein Typ mit 10F/2,3 V mit einem Labornetzteil bis auf 2,5 V aufgeladen. Danach wurde die Selbstentladung gemessen, indem die Spannung ohne einen zusätzlichen Entladewiderstand aufgezeichnet wurde. Man erkennt, dass der Kondensator bei Überspannung eine erhöhte Selbstentladung aufweist. Aus der Steigung kann ein Leckstrom von ca. 10 mA bei 2,5 V bestimmt werden. Aber auch dieser Versuch wurde hier nur stellvertretend für viele Anwender unternommen und ist keinesfalls zu empfehlen. Bei Überspannung muss man mit Elektrolysevorgängen im Kondensator rechnen, die ihn zerstören können.

Allgemein konnte festgestellt werden, dass neue Kondensatoren etwas erhöhte Leckströme aufweisen. Erst ein längeres Laden formiert den Kondensator und verringert die Selbstentladung. Diese Verhalten wird in ähnlicher Weise auch bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren beobachtet.

Erhöhte Selbstentladung bei Überspannung

Der folgende Hinweis zur Selbstentladung kam von Fabian Lührs (www.elektroniker-bu.de)

Die Supercap-Kondensatoren wie auch Goldcaps sind ähnlich aufgebaut wie Elektrolytkondensatoren, wo zwei Alufolien sich in einer Flüssigkeit (meistens eine Lauge) befinden. Durch eine geringe Spannung baut sich auf der einen Folie eine Oxidationsschicht auf, die isolierend wirkt. Beim Ausliefern kann es sein, das diese Schicht noch nicht ganz aufgebaut ist. Deshalb haben die Kondensatoren am Anfang eine größere Selbstentladung. Bei zu hoher Spannung oder falscher Polung löst diese Schicht sich auf, Theoretisch musste sie sich durch eine konstante Spannung in der richtigen Polung wieder aufbauen.

Bei älteren Aluminium-Elkos wurde ebenfalls ein größerer Leckstrom beobachtet, der nach längerem Laden wieder bis fast auf Null abnimmt. Ein grundlegender Unterschied besteht in der Isolationsschicht zwischen Alu-Elkos und Supercaps. Auf Aluminium kann sich auch eine dickere Oxidschicht bilden, die einige Hundert Volt aushält. Beim Supercap besteht die aktive Fläche auch porösem Kohlenstoff. Die eigentliche Isolationsschicht bildet sich durch Polarisation in der Flüssigkeit selbst. Aus physikalischen Gründen kann die Ladespannung je nach Typ 2,3 V bis 2,7 V nicht überschreiten. Goldcaps mit einer Spannungsfestigkeit von 5,5 V bestehen intern aus zwei Schichten und haben entsprechend geringere Kapazitäten.

Vielen Dank für diese Hinweise! Inzwischen wurde der Leckstrom genauer untersucht. Nach einer Woche an einer Spannung von 2 V ging die Selbstentladung bei einem 10-F-Kondensator tatsächlich von Anfangs rund 2 mA auf unter 20 µA zurück. Für den Supercap ist es tatsächlich günstig, wenn er in geladenem Zustand gelagert wird.

Die Supercaps sind im Online-Shop von AK MODUL-BUS erhältlich
Technische Daten aller Supercaps: www.nuin.co.kr/html/pro6.html
Aufbau einer LED-Taschenlampe mit dem Supercap: www.b-kainka.de/bastel36.htm#supercap
Der Supercap in Saalflug-Modellen: http://www.harald-sattler.de/html/supercap-tuning.htm
Versuche mit Supercap und Glühlampen: www.b-kainka.de/kosmos/sumpercap.htm