Digital Tests mit SuperCapLader zur Dekoderpufferung

[güntter]

... Die kleinen prismatischen flachen Typen von Murata werden leider nicht mehr gefertigt. Ich habe noch 4 Stück davon und hüte die wie meinen Augapfel . Na ja ernsthaft - nur damit kann man in der Gartenlaube oder der Köf was reißen. Die erhältlichen 40x48mmx1,1mm³ sind in TT nicht wirklich einsetzbar.

Bei Mouser gibt es diesen Typ: BZ154B473ZSB mit 47 mF, 4,5V und den Abmessungen 2,3 x 15 x 20 mm.



Kostet leider ca EUR 10,-

mfG
Günter

 

[güntter]

Anbei ein Einbauvorschlag für eine V110 DR von Roco:
Die beiden Supercaps haben je 0,3F / 2,7V und einen Durchmesser von 4mm.



mfG
Günter

 

[Notenfischer]

Ich bin übrigens gerade dabei einen dieser 4mm/0,3F/2,7V Kondensatoren an seine Grenzen zu bringen.

Ich lade ihn nun schon ca. 1 Stunde über 10 Ohm an 5V auf. Das schein ihm schon mal nichts auszumachen. Verhält sich immer noch wie an normaler Kondensator.

Danach versuchen, ihn mit >>0,5A zu entladen.

Falls er dass überlebt (was ich annehme), drehe ich die Ladespannung weiter hoch. Mal sehen, ob ich ihn zum platzen bekomme

Grüße,
Rolf

 

[güntter]

... Mal sehen, ob ich ihn zum platzen bekomme

Hallo Rolf,
das Teil ist fies, platzen wird er erst, wenn du ihn eingebaut hast

 

[Notenfischer]

das Teil ist fies, platzen wird er erst, wenn du ihn eingebaut hast

Hallo Günter,
klar, nach Murphy geht schief, was schief gehen kann. Aber ich finde es schon mal beruhigend, wenn die Dinger nicht schon bei 3V in jedem Fall Ärger machen.

Für die, die es interessiert: Ich habe an der V60 weitergebastelt. Den Silikon-Schlauch kann man in der Apotheke für ca. 1Euro bekommen (siehe Foto). Da dieser auf der 1mm Motorwelle nicht stramm genug sitzt, bot es sich an, auf die Welle ein Stück Schrumpfschlauch (1,5-0,5mm) anzubringen. Dadurch ist die Reibung auf beiden Seiten jetzt groß genug, um eine zuverlässige Kopplung herzustellen.

Wer sich ein Bild über die (Langsam-) Fahreigenschaften der umgebauten Lok machen will, kann sich folgendes Video anschauen:

Die maximale Geschwindigkeit liegt vorwärts wie rückwärts bei ca. 61-65km/h, was ziemlich genau dem Vorbild entsprechen sollte.
Die Zugkraft habe ich auch getestet: bei 3,5% Steigung schafft die Lok noch 4 lange Reisezugwagen (z.B. Silberlinge) zu ziehen. Bei höherer Belastung drehen dann die Räder durch, was zeigt, dass der Motor nicht der begrenzende Faktor ist, sondern das Gewicht der Lok bzw. fehlende Haftreifen.

Für ca. 20 Euro finanziellen Aufwand kann man also genug Platz in der Lok schaffen, um entweder Sound oder die Ladeschaltung (vielleicht geht ja auch beides ;-) unterzubringen. Ich bin mit dem Ergebnis jedenfalls zufrieden.

 

[Notenfischer]

So, mein Test mit dem 4mm Kondensator ist jetzt auch abgeschlossen. 4 Stunden an 5V hat ihm nichts geschadet, aber wenn man die Ladespannung entfernt, hält er nur ungefähr 3,7V. Dann zweimal mit ca. 800mA entladen, alles OK.
Anschliessend habe ich dann langsam die Ladespannung weiter erhöht. Bei einer Spannung von ca. 16V am Kondensator ist dieser dann abgeraucht.

 

[framo]

So, mein Test mit dem 4mm Kondensator ist jetzt auch abgeschlossen. 4 Stunden an 5V hat ihm nichts geschadet, aber wenn man die Ladespannung entfernt, hält er nur ungefähr 3,7V. Dann zweimal mit ca. 800mA entladen, alles OK.
Anschliessend habe ich dann langsam die Ladespannung weiter erhöht. Bei einer Spannung von ca. 16V am Kondensator ist dieser dann abgeraucht.

Das heißt aber nicht, dass sich ein anderes Exemplar, aus einer anderen Charge, genau so verhalten muß. Und wie sich das Verhalten diesbezüglich über längere Zeit verändert, kann mit diesem Kurzversuch auch nicht vorausgesagt werden.
Ich wäre sehr vorsichtig, die Dinger außerhalb der jeweiligen Spezifikation zu betreiben.

 

[ateshci]

Sicherlich halten die Kondensatoren über sehr viele Stunden ( und meist mehr, als die ingesamte Nutzungszeit eines Modells beträgt ) eine Überspannung von ca. 50% aus. Selbst Marken-Ta-Cs tun das, die NASA hat da extra einen Test, bei dem diese mit >33% Überspannung auf Leckstromanstieg (=Kapazitätsverlust ) getestet werden und die Ausfallzeit war >1000h. Nur weiß man nie, was man für ein Produkt von den Elektronik-Versendern bekommt. Bei Mouser kann man sich auf 1A-Ware verlassen und bei unseren relativ kurzen Nutzungszeiten schon relativ kräftig über die Nennspannung gehen, ( wenn man die Wette gegen den Frühausfall halten will ) denn der Stress dauert ja 6-8 Std im Höchstfall.
@Notenfischer
Du hast nur den Leckstrom nach oben gejagt: Wenn Du 3,7V über 10 Ohm Ladewiderstand von 5V erhältst, dann hat der Kondensator 130mA @~>3,7V gezogen. Die <0,2W am Widerstand wirst Du wohl kaum gespürt haben. Sobald die Zellenspannung 3,7V erreicht hat, geht der Leckstrom auf ~50µA zurück und der Kondensator hält die Spannung.
Die Ausfallwahrscheinlichkeiten sind bei < 150% Ur gering und man kann das Risiko eingehen, wenn man weiß, was beim Ausfall passiert. Ein EDLC wird bei ~50% Überspannung wohl nicht abrauchen, sondern einfach seine Kapazität verlieren. Bei Ta's hängt's vom inneren Aufbau ( nass oder trocken ) ab und da traue ich der Sache nicht so.

 

[Notenfischer]

Wenn Du 3,7V über 10 Ohm Ladewiderstand von 5V erhältst, dann hat der Kondensator 130mA @~>3,7V gezogen

Ich habe die Spannung vor und nach dem 10Ohm Widerstand gemessen (siehe Foto) und auch noch die Stromstärke (ich weiss, eins davon ist redundant...). Die Ladespannung ist gegen 2mA konvergiert (ich hatte einen 2,5k Widerstand parallel zum Kondensator).
Links auf dem Bild ist die Spannung nach dem Strom-Multimeter aber vor dem Widerstand, das rote misst den Strom (ca. 4,4mA), das rechte die Spannung am Kondensator.

Ich bin ja auch eher dafür, hier vorsichtig zu sein und kein Risiko einzugehen. Trotzdem hat es mich einfach interessiert, in welcher Größenordnung die Toleranzen liegen.

 

[ateshci]

Ich habe das auch mal mit einem 3.3F/2,3V-Kondensator (Panasonic-HW ) durchgespielt. Ladespannung 4,95V 10 Ohm Vorwiderstand. Ab einer Kondensatorspannung von ~3,3V stieg der Leckstrom rapide an und die Spannung auf 3,6V, mit einem weiteren Anstieg von 10mV/5sec. Das heißt, der Leckstrom veränderte sich von wenigen µA auf ~130mA. Nach Wegnehmen der Ladespannung sackte die Spannung sehr schnell auf 3,3V ab um dann asymptotisch ( ca 10min ) auf 2,5V zu sinken. Ich schließe daraus, dass man möglicherweise den Kondensator mit bis ca 140% der Sollspannung ohne langfristige Probleme bei unseren Anwendungen betreiben darf, dieses aber kaum Auswirkung auf die entnehmbare Ladung hat. Soll heißen, auch wenn man die 2,3V nicht genau einhält, für die Berechnung der Pufferzeit sollte man von einer Startspannung von 2,3V ausgehen.
Bezogen auf den 4,5V-Kondensator wird man den problemlos auf ~5V laden können, ohne Probleme befürchten zu müssen.

 

[framo]

.... Selbst Marken-Ta-Cs tun das, die NASA hat da extra einen Test, bei dem diese mit >33% Überspannung auf Leckstromanstieg (=Kapazitätsverlust ) getestet werden und die Ausfallzeit war >1000h. Nur weiß man nie, was man für ein Produkt von den Elektronik-Versendern bekommt. ....

Tantals mit über 33% Überspannung dauerhaft belasten? Da kann man nur viel Glück wünschen, der "Spaßfaktor" ist dabei ja garantiert ....
(kurzzeitig geht das, dazu wird die Surge-Spannung - mit definierten Bedingungen - im Datenblatt angegeben.)

 

[ateshci]

Nun, die Testbedingungen entsprechen doch so ziemlich unseren Betriebsbedingungen: 30sec lang über 33Ohm einen 16V-Typen mit 20V beaufschlagen, dann voll entladen und wieder von vorne -1000x. Danach darf der Ta-C höchstens 10% Kapazitätsverlust aufweisen. Der springende Punkt ist tatsächlich die Strombegrenzung durch den Vorwiderstand, dadurch kann sich das Dielektrium selbst ausheilen. Abgefackelt werden die C's, wo der Strom durch sie beliebig hoch werden kann.

 

[ateshci]

Nachtrag zu meinem Kondensator-Experiment:
Nach 15min hatte der Kondensator 2,3V und nach 12 Std(!) noch 1,1 V

 

[framo]

Da hat er wohl schon einen Knacks weg?
Bezüglich Eurer Experimente mit "Über-Nennspannung": Schon mal was von "Zersetzungsspannung" gehört? Name ist Programm. Aber macht ruhig weiter, probieren geht über studieren ....

 

[ateshci]

Wir haben es aber hier nicht mit herkömmlichen Elektrolytkondensatoren zu tun und die auftretenden Potentiale liegen noch weit unterhalb der Zersetzungsspannung des Elektrolyten.
Ein Supercap, der ~80µA Leckstrom aufweist, ist wohl kaum als defekt zu bezeichnen.
Wenn ich aus einem dauergepufferten Kondensator 400..500mA herausholen will, ist es so was von irrelevant, ob er während der Pufferung 30 oder 200µA Leckstrom zieht!
Es geht darum, innerhalb welcher Grenzen man Sollwerte überschreiten kann, weil der Verfügung stehende Platz für ein entsprechendes Bauteil nicht reicht oder es ein wenig anders spezifiziert ist. Für unseren Einsatzzweck ist es ziemlich Wurst, ob dann die MTBF von 10000h auf 1000h absackt, weil Dauerbetrieb bei der Modellbahn kein Thema ist.
Wenn ich einen Supercap, der mit 4,5V angegeben ist, für Modellbahnzwecke problemlos mit ~5V betreiben kann, dann spare ich Bauteile beim Herstellen der Ladeschaltung. Das ist das relevante Ergebnis von solchen Experimenten!

Noch ein Nachtrag zu dem vorgestellten erhältlichen Kondensator:
Er gestattet es im günstigsten Fall, dass die Lok für ~0,5sec gepuffert wird und erfüllt somit die Mindestanforderungen. (Heul) der Murata-Kondnesator hatte bei bei 22x13mm² die 10fache Kapazität.

 

[framo]

Wir haben es aber hier nicht mit herkömmlichen Elektrolytkondensatoren zu tun ....

Genau.

 

[Per]

Sollte man die zu verbauenden Cs vorab mit einer gewissen Überspannung testen, bevor man sie mit 10% Überspannung eingebaut betreibt, um evtl. "Mimosen" auszusortieren? Oder kann man damit auch gute Exemplare (wenn man es nicht übertreibt!!!) soweit schädigen, dass sie dann im Modell aufgeben?

 

[Thorsten]

Solche Tests werden typischerweise beim Hersteller durchgeführt, ohne die Bauteile zu schädigen. Möchtest du weiter selektieren und die Teile jenseits der definierten maximalen Spannung testen, hat das einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer. Manchmal gibt es in Datenblättern aber auch Angaben, wie lange der Betrieb bis zu einer bestimmten Spannung die Lebensdauer nicht beeinträchtigt.

Thorsten

 

[framo]

Sollte man die zu verbauenden Cs vorab mit einer gewissen Überspannung testen, bevor man sie mit 10% Überspannung eingebaut betreibt, um evtl. "Mimosen" auszusortieren? Oder kann man damit auch gute Exemplare (wenn man es nicht übertreibt!!!) soweit schädigen, dass sie dann im Modell aufgeben?

Letzteres!

 

[ateshci]

Zum Umgang mit den Dingern steht hier einiges.
Es ist unnötig, selbst nochmals Einbrenntests zu betreiben. Andrerseits kann man dem aber auch entnehmen, dass man etwa 0,2V Überspannung an einen 2,3V-Typen anlegen kann, ohne dass wesentliches passiert. Und das war der Ausgangspunkt, den ich schon angesprochen hatte: Für unsere Zwecke kann man einen 4,5V-Kondensator auch an 5V über einen Vorwiderstand betreiben. Viel schädlicher sind hohe Temperatur und hohe Ladestromstöße. Die Reduktion der Lebenserwartung ist bei der intermittierenden Betriebsweise 'Modellbahn' ziemlich vernachlässigbar.
Ich habe ja auch geschrieben, dass eine erhöhte Ladespannung keine höhere nutzbare Ladung erzeugt. Damit fällt der Hauptanreiz weg -es bleibt nur der evtl. Vorteil der Bauteilreduktion für gewisse Einsatzschaltungen.
Die üblichen Ein-Kondensator Pufferschaltungen, die aus 2,3..2,7V 9V bei 200mA herausholen, haben auf die Lebensdauerverkürzung des EDLCs viel größere Auswirkung, weil der entnommene Strom aus dem Kondensator 3..3,3mal so hoch ist. Trotzdem - wegen der Betriebsbedingungen halten die Kondensatoren auch dann noch Jahre.

 

[güntter]

Da es bei TT häufig darauf ankommt möglichst kleine Kondensatoren zu verbauen, ist des natürlich wichtig die Grenzen zu kennen.
Matthias hat die Bauteile (R3) seiner SCL so dimensioniert, daß der Kondensator auf maximal 2,5V geladen wird.
Da andererseits der Kondensator nur bis 1,9V entladen wird, ist es umso wichtiger den oberen Spannungsbereich maximal auszureizen.
Ich habe bei meinen SCL deshalb R3 derart verändert, daß der SCap auf 2,7V aufgeladen wird, das bringt 20 - 30% mehr Energie.
Eine Aufladung über die zulässige Höchstspannung ist m.E. aber nur dann sinnvoll, wenn die erreichte Pufferenergie sonst nicht für eine definierte Mindestfahrstrecke reicht. Oder anders gesagt: Ich reduziere die Lebensdauer des Scap durch Überspannung nur wenn es unbedingt nötig ist.

... Viel schädlicher sind hohe Temperatur und hohe Ladestromstöße. ...

Damit würde sich durch geringe Überspannung die Lebenserwartung der SCap sogar erhöhen, denn durch höhere Spannung sinkt der zu entnehmende Strom.

 

[güntter]

Matthias hat nun noch eine weitere, kleinere Platine entworfen. Diese Platine wird mit den gleichen Induktivitäten und ICs bestückt wie SCL0805, jedoch werden kleinere Widerstände (0603) verwendet.
Die Maße sind 14 x 10 mm, eine Beschreibung dazu findet ihr im Stummi-Forum.

mfG
Günter

 

[ateshci]

@güntter
Eine über der normal zulässigen Betriebsspannung erhöhte Pufferspannung bringt, wie ich schon geschrieben habe, praktisch nichts. Die Spannung am Kondensator sinkt recht schlagartig auf die 'Startspannung' ab, dann erst nimmt sie entsprechend dem Entladestrom ab. Für Speicherzeitbetrachtungen muss man immer von der Nennspannung ausgehen. Die ganze Überlegung zielte wirklich nur darauf ab, ob es immer nötig ist, mit zusätzlichen Bauteilen genau die Nennspannung beim Puffern einzuhalten. Ein EDLC hat halt so seine Eigenheiten.

 

[güntter]

Ich habe in der Zwischenzeit weitere Tests durchgeführt. Die BR 211 von Tillig mit einem Lenz Silver + mini war das Testobjekt.


Getestet habe ich die Schaltungen mit 0805 und 0603-er Bauteilen, aber eigentlich kann man sich das sparen, da die Schaltung identisch ist.
Als Speicherkondensatoren verwendete ich 2,7V-Typen mit 0,3F und 1,0F von Mouser.


Interessant ist noch der Test mit dem hier bereits beschriebenen Kondensator mit 0,047F und 4,5V. Leider ist dieser Typ mit rund 10 EUR sehr teuer, kann aber in bestimmten Fällen wegen der Maße 2,3x15x20mm leicher einzubauen sein.


Durch eine Lichtschranke wurde an einer geraden Strecke der Fahrstrom unterbrochen und die nach Unterbrechung von der Lok zurückgelegte Strecke gemessen.
Anbei die Testergebnisse:



mfG
Günter

 

[güntter]

Pufferspeichereinbau in DB V60

Heute habe ich mir meine V60 von Kuehn vorgenommen. Im Gegensatz zu Rolf wollte ich jedoch nicht den Motor austauschen und die Schwungmasse entfernen. Platz habe ich geschaffen, indem ich den Dekoder (N45) direkt mit der Lokplatine verbunden habe. Vor dem Getriebe ist nun Platz für die SCL-Platine, die aber maximal 12 x 10 mm messen darf. Ich verwendete deshalb die gekürzte SCL0603v2.




Den Supercap (0,3F/2,7V) habe ich geschwärzt und im Führerstand untergebracht.




So sieht dann der fertige Einbau aus, mechanisch wurde die Lok dabei nicht verändert.



Dann die erste Testfahrt - und die Enttäuschung.
Es war fast kein Effekt feststellbar. Die BR 211 von Tillig hingegen legt mit 0,3F 3cm bzw 11cm zurück.
Ich vermute es liegt daran, daß die BR V60 mechanisch schwergängiger ist.

Ich werde nun den SCL auf 5,5V ändern und einen SCap mit 0,22F / 5,5V einbauen. Nachdem dieser Typ für eine V200 in H0 ausreicht, sollte auch eine V60 in TT damit fahren können.

mfG
Günter