Was bedeutet negative Kapazität?

Ich sehe eine negative Kapazität, die einen Elektrolytkondensator bei hohen Frequenzen (40 kHz) misst. Wie soll ich das interpretieren?

Das Gerät ist das LCR-Meter Hantek 1832C . In der Anleitung habe ich dazu nichts gefunden .

Negative Kapazität ist physikalisch unmöglich. Es könnte ein Fehler im Messalgorithmus des Messgeräts sein (der natürlich nicht im Handbuch behandelt wird) oder vielleicht ein Kalibrierungsproblem (das möglicherweise behandelt wird).
Wenn Ihre Messungen zeigen, dass der Wechselstrom der Wechselspannung nacheilt (für eine einzelne Frequenz), verhält sich das zu testende Gerät entweder (a) als (verlustbehaftete) Induktivität oder (b) als (verlustbehafteter) negativer Kondensator. Die Entscheidung zwischen (a) und (b) kann getroffen werden, wenn die Frequenz variiert wird. Eine negative Kapazität kann nur durch aktive Schaltungen (Impedanzwandler, NIC oder GIC) erzeugt werden.
Eine negative Kapazität hätte eine positive imaginäre Reaktanz, die umgekehrt proportional zur Frequenz ist. Es ist also NICHT dasselbe wie Induktivität.

Antworten (4)

Es heißt "Kapazität", ist aber nicht wirklich Kapazität.

Wenn eine sinusförmige Spannung mit einer bestimmten Frequenz an den Kondensator angelegt wird, ergibt sich ein sinusförmiger Strom mit derselben Frequenz.

Die Beziehung zwischen dem Strom und der angelegten Spannung besteht aus zwei Teilen – sie unterscheidet sich in der Phase um einen festen Betrag und sie hat eine Größe, die mit einem gewissen Faktor proportional zur Spannung ist.

Es ist mathematisch zweckmäßig, diese beiden Größen (die Phasendifferenz und den Faktor) durch eine einzige komplexe Zahl namens "Impedanz" darzustellen, die mit "Z" bezeichnet wird. Die Ableitung ist für diese Antwort etwas zu lang, aber googeln Sie "negative Frequenzen", wenn Sie verstehen möchten, wie es funktioniert. Die Impedanz ist praktisch, da sie es ermöglicht, die Beziehung zwischen Spannung und Strom auszudrücken, indem das Ohmsche Gesetz auf komplexe Zahlen erweitert wird: V = IZ, wobei Spannung und Strom Sinuskurven einer bestimmten Frequenz sind.

Ein idealer Widerstand hat bei jeder Frequenz eine konstante reale Impedanz (was bedeutet, dass Z keine imaginäre Komponente hat), und daher wird der reale Teil der Impedanz oft als "Widerstand" bezeichnet.

Ein idealer Induktor oder Kondensator hat bei jeder Frequenz eine rein imaginäre Impedanz (dh Z hat keine reale Komponente). Die imaginäre Komponente wird "Reaktanz" genannt und ist nicht konstant. Sowohl bei Induktivitäten als auch bei Kondensatoren ist die Reaktanz jedoch umgekehrt proportional zur Frequenz, daher wird (Imaginärteil von Z)/f oft als "Induktivität" bezeichnet, wenn sie positiv ist, oder als "Kapazität", wenn sie negativ ist.

Ihr Messgerät misst also nur Z bei einer bestimmten Frequenz und kennzeichnet -Im (Z) / f als "Kapazität". Es bedeutet nicht, dass Sie einen negativen Kondensator haben. Es bedeutet auch nicht, dass Sie einen Induktor haben. Es zeigt nur an, dass die Phase des Stroms bei dieser Frequenz hinter der Spannung zurückbleibt.

Diese Messgeräte wenden eine Sinuskurve auf die zu testende Komponente an; Messen Sie die Real- und Im-Teile der Impedanz und berechnen Sie eine "Kapazität". Dies ist nur die Kapazität, die BEI DIESER FREQUENZ eine äquivalente Impedanz hätte. Das Messgerät ist nicht in der Lage (niemand kann es, wenn Berechnungen mit nur einer Frequenz durchgeführt werden) zu bestimmen, welche genauen Komponenten vorhanden sind.
Beachten Sie die großgeschriebenen Wörter im obigen Kommentar. Sehr wichtig!

Ich sehe eine negative Kapazität, die einen Elektrolytkondensator bei hohen Frequenzen (40 kHz) misst. Wie soll ich das interpretieren?

Negative Kapazität kann als Induktivität angesehen werden, sodass es bei hohen Frequenzen so aussieht, als würden Sie die effektive Serieninduktivität (ESL) des Elektrolytkondensators messen. Genau genommen messen Sie die induktive Reaktanz abzüglich der kapazitiven Reaktanz und diese wird dann in negative Kapazität umgewandelt, wenn die induktive Reaktanz einen höheren Wert als die kapazitive Reaktanz hat. Beispiel: -

  • Wenn die ESL 1 μH beträgt, hat sie bei 40 kHz eine Reaktanz von 0,251 Ω.
  • Wenn die Kapazität (sagen wir) 100 μF beträgt, hat sie eine Reaktanz von 0,04 Ω bei 40 kHz
  • Da beide in Reihe geschaltet sind, beträgt die Nettoreaktanz 0,251 Ω - 0,04 Ω = 0,211 Ω.
  • Dies könnte als minus 18,9 μF angezeigt werden.
  • Oder auf einem anspruchsvolleren Messgerät könnte es als 0,84 μH angezeigt werden
Ich bin nicht der Meinung, dass negative Kapazität Induktivität ist.
@ScottSeidman OK, vielleicht sollte ich sagen, dass negative Kapazität als Induktivität angesehen werden kann. Ich habe diese Änderung BTW vorgenommen.
Verschiedene Transformationen. -1/sC vs.sC. Zwei verschiedene Dinge. Ein Pol gegen eine Null
@ScottSeidman bist du immer noch nicht einverstanden mit meinen geänderten Worten?
Ja. Eine negative Kapazität ist keine Induktivität, und CD sollte nicht als solche betrachtet werden.
@ScottSeidman Ich versuche nicht zu sagen, dass eine negative Kapazität unter allen Umständen einer positiven Induktivität gleichgesetzt wird; Die Frage lautete: "Wie soll ich das interpretieren?" und ich gebe eine Interpretation dessen, was ein angezeigter Wert der negativen Kapazität unter diesen Umständen bedeutet. RTFQ.
Meine Herren, es gibt keinen Widerspruch. Die negative Kapazität von @ScottSeidman würde zum Beispiel. von einer Gleichspannung über einen Widerstand mit exponentiell steigendem Strom aufgeladen werden. Freie-Energie-Macher und Apokalypse-Prediger könnten die Idee vielleicht nutzen, aber positive Induktoren sind als Ersatz für echte negative Kondensatoren nutzlos. Ein nicht so perfekt konstruiertes C-Meter, das mit einer festen Frequenz arbeitet, kann eine Induktivität oder effektiv bei dieser Frequenz induktive komplexere Schaltungen als negative Kapazität aufweisen. Der Fragesteller sollte die Messung mit einem bekannten Induktor testen.
@ user287001 Ein negativer Kondensator würde sich mit Sicherheit exponentiell auf eine negative Spannung aufladen.
Ich denke, dass hier ein bisschen subtil ist: Die Messtechnik selbst lässt die Induktivität auf der Anzeige als negative Kapazität erscheinen. Dies bedeutet nicht, dass positive Induktivität und negative Kapazität in der Schaltungsanalyse äquivalent sind. Es ist ein Messartefakt und etwas, über das man Bescheid wissen sollte, um die Messergebnisse richtig zu interpretieren.

Wenn Sie die Reaktanz bei einer einzelnen Frequenz messen, können Sie nicht zwischen negativer Kapazität und positiver Induktivität unterscheiden.

Grundsätzlich wandelt das Messgerät den Imaginärteil der Reaktanz ( Im(Z) ) in „Kapazität“ um, indem es C = -1/(2 π f Im(Z)) verwendet. Wenn Im(Z) positiv ist (was bei einer Induktivität der Fall ist), zeigt das Messgerät eine negative Kapazität an.

Das Messgerät könnte bei verschiedenen Frequenzen messen (tatsächlich kann es, aber es kombiniert die Ergebnisse nicht) und die Ergebnisse kombinieren, die es für eine Ersatzschaltung der Komponente analysieren könnte (z. B. ein Netzwerk aus R, C, L) - aber das ist bei einem LCR-Meter v. schwierig und unnötig.

Kann ein VNA es unterscheiden? Wenn ja, wäre es meiner Meinung nach großartig, OP Anweisungen zum Messen seiner Komponenten zu geben, um zuverlässigere Ergebnisse zu erhalten.
Eigentlich würde nur die Messung ganz anders ablaufen. Das Anschließen eines Messgeräts startet eine Transiente, die sich im Falle einer negativen Kapazität exponentiell ausdehnen würde, anstatt in einen festen Zustand abzufallen. Die Reaktanzen von positiver Induktivität und negativer Kapazität sind nicht unterscheidbar.
Ein VNA zeigt Impedanzmessungen über der Frequenz an. Es gibt keine eindeutige Umwandlung davon in eine äquivalente Schaltung, aber wenn Sie ein C in Reihe mit einem L und R annehmen, könnten Sie dies sicherlich um die interessierenden Frequenzen herum „anpassen“ und die „reinen“ C- und L-Werte sehen.

Da Ihr Kondensator elektrolytisch ist, ist Wechselstrom keine gute Möglichkeit, ihn zu messen. Elektrolyte sollten niemals umgekehrt geladen werden, was Wechselstrom tut. Eine gute Möglichkeit, die Kapazität zu messen, ist die Entladungsrate durch einen bekannten Widerstand. Schließen Sie den Kondensator und einen bekannten Widerstand an ein Oszilloskop an und messen Sie die Zeit, die der Kondensator benötigt, um sich auf 1/e (37 %) einer Anfangsspannung zu entladen. Rechnen Sie dann mit der Formel r = ct, wobei r die Zeitkonstante, c der bekannte Widerstand und t die Kapazität ist.

Ich empfehle nicht, die Nennspannung zu testen, es sei denn, Sie nehmen Proben aus einer großen Charge; Der Spannungstest ist destruktiv und stinkt manchmal richtig.

Wenn die Nennspannung mehrere hundert Volt beträgt, laden Sie den Kondensator nicht auf und spielen Sie nicht damit, wie wir es im Elektronikgeschäft der High School (1955) getan haben.🥴

Wenn Sie den Kondensator durch Anlegen von Wechselstrom zerstört haben, können Sie ihn möglicherweise durch Anlegen einer langsam ansteigenden Spannung mit korrekter Polarität neu formieren. IIRC, die Rampe sollte mehrere Stunden dauern und die Endspannung über Nacht gehalten werden.
Wechselstrom ist erforderlich, um Kondensatoren auf ihre Fähigkeit hin zu vergleichen, kurze Impulse zu dämpfen
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