Speicherkondensatoren im Test

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Zuerst wurde ein älterer Speicherkondensator mit 5 F und 2,5 V getestet. Er wurde jeweils bis 2,5 V geladen und bis 1,5 V entladen. Dazu wurden zwei Portanschlüsse parallel geschaltet und ohne einen weiteren Widerstand direkt an den Kondensator gelegt.

0x09FF Pdir = 255
              L1:
0x02C1 B = 193
              REM 2.5 V
0x08FF Pout = 255
0x3C00 A = AD0
0x4200 Print A
0x1A05 Delay s = 5
0x2401 If A<B Goto L1:
              L2:
0x0274 B = 116
              REM 1.5 V
0x0800 Pout = 0
0x3C00 A = AD0
0x4200 Print A
0x1A05 Delay s = 5
0x2307 If A>B Goto L2:
0x2001 Goto L1:

Das Diagramm zeigt die etwas kleineren Ladeströme und die größeren Entladeströme.

Als nächstes wurde ein LiC-Speicherkondensator mit 15 F, 3.8 V eingesetzt. Er ist wesentlich kleiner, hat aber einen größeren Innenwiderstand. Im ersten Versuch wurde er nur zwischen 3 V und 2,5 V betrieben, weil die offizielle Untergrenze bei 2,5 V liegt. Dabei zeigten sich auffallend schnelle Ladezyklen, die auf zu große Ströme hindeuteten. Deshalb wurde die Messperiode auf 1 s verkleinert und nur ein Port zum Laden und Entladen verwendet. Die seltsamen Lade/Entladekurven sind offensichtlich auf den größeren Innenwiderstand dieses Kondensators zurückzuführen.

0x09FF Pdir = 255
              L1:
0x02E8 B = 232
              REM 3.0 V
0x08FF Pout = 255
0x3C00 A = AD0
0x4200 Print A
0x1A01 Delay s = 1
0x2401 If A<B Goto L1:
              L2:
0x02C1 B = 193
              REM 2.5 V
0x0800 Pout = 0
0x3C00 A = AD0
0x4200 Print A
0x1A01 Delay s = 1
0x2307 If A>B Goto L2:
0x2001 Goto L1:

In einem weiterenVersich wurde der Spannungsbereich vergrößert. Der Kondensator wird jetzt bis 3 V geladen und bis 0,5 V entladen. Das ist zwar eigentlich nicht erlaubt, aber der Test dient auch dazu herauszufinden, wie schlimm eine Tiefentladung ist.

0x09FF Pdir = 255
              L1:
0x02E8 B = 232
              REM 3.0 V
0x08FF Pout = 255
0x3C00 A = AD0
0x4200 Print A
0x1A05 Delay s = 5
0x2401 If A<B Goto L1:
              L2:
0x0227 B = 39
              REM 0.5 V
0x0800 Pout = 0
0x3C00 A = AD0
0x4200 Print A
0x1A05 Delay s = 5
0x2307 If A>B Goto L2:
0x2001 Goto L1:

Die so entstandene Ladekurve sieht auf den ersten Blick völlig anders aus als eine RC-Kurve. Das dürfte darauf zurückzuführen sein, dass man hier von einem etwas anderen Ersatzschaltbild ausgehen muss. Es besteht mindestens aus einem großen und einem kleineren Kondensator mit zwei Serienwiderständen. Dieses Verhalten habe ich auch schon einmal bei einem versehentlichen Kurzschluss beobachtet. Die Kondensatorspannung hat sich danach von allein fast wieder auf den ursprünglichen Wert vergrößert. Der kleinere Kondensator nahe am Anschluss wurde also durch den größeren Kondensator wieder nachgeladen.

Ein ähnliches Verhalten ist bei keramischen Kondensatoren und bei Elkos unter der Bezeichnung dielektriosche Absorpion bekannt, hier aber wesentlich stärker ausgeprägt. Das bedeutet nicht dass die LiC-Kondensatoren unbrauchbar sind, aber sie sind eben nur für kleinere Lastströme gut zu gebrauchen. Zum Test unter reellen Bedingungen habe ich einen Widerstand von 1 k zwischen Port und Kondensator geschaltet. Der maximale Strom liegt dann etwa bei 3 mA. In diesem Bereich sollte sich der Speicher wie ein normaler Kondensator verhalten. Die Messung wurde entsprechend verlangsamt, indem nur ein Messpunkt pro Minute übertragen wurde. Als ich bemerkte, dass die Messung so nie fertig wird, habe ich den Widerstand auf 220 Ohm verkleinert und die Messperiode auf 30 s verkürzt. Ins Diagramm passen dann 250 Minuten, also ca. drei Stunden.

Beim Erreichen der Ladegrenze von 3 V wurde umgeschaltet. Hier sieht man zuerst einen Sprung von 0,33 V. Damit kann man den gesamten Innenwiderstand mit ca. 20 Ohm abschätzen. Das Datenblatt gibt 0,8 Ohm bei 1 kHz an, das dürfte dem zweiten Innenwiderstand zwischen der kleineren Kondensator und den Anschlüssen entsprechen. Der weitere Verlauf der Entladung ist deutlich steiler als die vorangegangene Aufladung. Was aber noch mehr ins Auge fällt, ist die schnelle Aufladung bis ca. 2,7 V. Erst danach erinnert die Ladekurve ansatzweise an eine Kondensatorladung. Ein ähnliches Verhalten zeigen auch tiefentladene Li-Ion-Akkus. Sollte der LiC-Speicherkonmdensator vielleicht doch eher ein Akku als ein Kondensator sein?

Das Datenblatt gibt eine Ladung von 5 mAh beim Betrieb zwischen 3,8 V und 2,5 V an. Mit C = 15 F und Delta-U = 1,3 V kommt man auf 6,5 As = 5,4 mAh, stimmt also. Interessant ist ein Vergleich mit einem Li-Akku. Der Kondensator hat einen Durchmesser von 6,3 mm und eine Länge von 13 mm, also ein Volumen von. 0,405 cm³, also ca. 12,3 mAh/cm³. Ein kleiner Li-Akku mit ähnlicher Bauform und 360 mAh aus einer E-Zigarette hat einen Durchmesser von 13,3 mm und eine Länge von 30,5 mm, also eine Volumen von 4,24 cm³ und damit 85 mAh/cm³. Der Akku hat also eine um den Fakor 7 größere Ladungsdichte. Dafür verträgt der LiC fast unbegrenzt viele Ladezyklen und kann wähnend seiner Lebensdauer wesentlich mehr Ladung speichern als ein Akku. Und außerdem lässt er sich extrem schnell aufladen..

Fazit: Oberhalb 2,5 V verhält sich das Bauteil wie ein Kondensator. Kleinere Spannungen sollte man vermeiden, weil in dem Bereich nicht mehr viel Energie gespeichert ist und weil dann chemische Prozesse ablaufen, die zu einer Verschlechterung der Eigenschaften führen können.

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