System zur Backup-Stromversorgung Allzeit bereit!

Stabiles System mit Power Management zur Backup-Stromversorgung.

Wenn ein System immer laufen muss, also auch beim Ausfall der primären Stromversorgungsquelle, ist es wichtig, eine Backup-Stromversorgung zu haben. Zusätzlich muss dann ein funktionierendes Power Management vorhanden sein.

  • Backup-Stromversorgungen inklusive Power Management sind für viele elektronische Systeme wichtig, vor allem wenn ein zuverlässiger Betrieb gefordert wird.
  • Als Speichertypen stehen Batterien, Kondensatoren und Supercaps zur Auswahl.
  • Der LTC4040 ist ein vollständiges Backup-Power-Management-System für Lithium-Batterien.

Elektroniksysteme müssen unabhängig von äußeren Betriebsbedingungen ständig verfügbar sein. Anders gesagt, jede Funktionsunterbrechung, sei es für einen Moment oder über Sekunden oder gar Minuten, muss im Design-Prozess bedacht werden. Um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten, werden für gewöhnlich unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) eingesetzt. Entsprechend verwenden moderne Notfall- und Standby-Systeme Ersatzversorgungen, die sicherstellen, dass Sicherheitssysteme und kritische Ausrüstungen auch bei Stromausfall zuverlässig arbeiten – ganz egal, warum es zum Stromausfall kommt.

Auch zahlreiche elektronische Handheld-Geräte müssen immer einsatzbereit sein. Deshalb sind sie mit Stromversorgungen von geringer Masse versehen, um einen zuverlässigen Betrieb unter normalen Bedingungen zu ermöglichen. Man kann aber menschliche Fehler nicht immer ausschließen: Beispielsweise kann einem Arbeiter der Barcodescanner auf den Boden fallen und die Batterie dabei herausspringen. Da können wertvolle Daten verlorengehen – es sei denn, es steht noch genügend Energie zur Datensicherung zur Verfügung, bis die Batterien wieder eingesetzt sind, oder die Daten sind nichtflüchtig gespeichert.

In Automotive-Elektroniksystemen gibt es viele Applikationen, die ständig mit Strom versorgt werden müssen, auch wenn das Auto geparkt ist, zum Beispiel Keyless Entry, Alarmanlage und Infotainment-System einschließlich der Navigation und der eCall-Funktion. Das mag nicht sofort einleuchten, aber das GPS muss für den Notfall oder für Alarmzwecke immer funktionieren. So kann, falls erforderlich, von extern auf das System zugegriffen werden.

Das eCall-System ist eine Sicherheitsfunktion, die in modernen Autos immer größere Verbreitung findet und inzwischen von vielen Herstellern in ihren Modellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um eine einfache Technologie: im Falle eines Unfalls, bei dem der Airbag ausgelöst wird, kontaktiert eCall automatisch die Notrufzentrale. GPS-Daten werden dabei für die Zeitinformation und die Standortangabe verwendet. Außerdem werden Fahrzeugtyp und Treibstoffbedarf an die Zentrale gemeldet und das Mikrofon wird zum direkten Kontakt zur Zentrale eingeschaltet.

Das eCall-System stellt bei einem Unfall auf der Autobahn auch die Fahrtrichtung fest, damit Notdienste schnell Zugang haben. Im Krankheitsfall kann eCall auch manuell betätigt werden, ohne dass der Airbag zuvor ausgelöst wurde.

Die möglichen Speichermedien

Welchen Speichertyp verwendet man für die Backup-Stromversorgung? Traditionell sind das Kondensatoren und Batterien.

Kondensatoren haben jahrzehntelang eine wichtige Rolle bei der Leistungsübertragung und -bereitstellung gespielt. Zum Beispiel lassen sich Dünnfilmtransistoren für die Leistungsfaktorkorrektur oder den Spannungsabgleich verwenden. Intensive Forschung hat außerdem zu erheblichen Designoptimierungen geführt.

Dabei sind Superkondensatoren (auch bekannt als Ultrakondensatoren) entstanden, die gut geeignet für den Einsatz in Energiespeichern und in Backup-Systemen sind. Superkondensatoren sind zwar bezüglich der maximal speicherbaren Energie limitiert, aber sie haben eine hohe Energiedichte. Außerdem liefern sie schnell hohe Entladeströme und lassen sich rasch wieder aufladen.

Superkondensatoren sind kompakt, robust und zuverlässig, und sie erfüllen die Anforderungen von Backup-Systemen bei kurzzeitigem Netzverlust. Sie können problemlos parallel oder in Serie geschaltet werden oder auch kombiniert parallel und in Serie, um die erforderlichen Spannungen und Ströme für die Endapplikation bereitzustellen. Superkondensatoren sind jedoch mehr als einfach nur Kondensatoren mit hoher Kapazität. Verglichen mit Standard-Keramik-, Tantal- oder Elektrolytkondensatoren bieten Supercaps eine höhere Energiedichte und höhere Kapazität in einer vergleichbaren Größe und bei vergleichbarem Gewicht.

Und obwohl der Umgang mit Superkondensatoren nicht ganz einfach ist, ersetzen sie immer häufiger Batterien in Datenspeicherapplikationen als Hochstrom- bzw. Kurzzeit-Backup-Quelle. Oder sie dienen als ergänzende Leistungsquelle, um die Belastung der primären Quelle zu verringern und so die Lebensdauer der Anwendung zu verlängern. Außerdem finden sie Verwendung in Hochstrom- und tragbaren Applikationen, die eine hohe Spitzenlast oder kurzfristigen Backup-Strom benötigen, z.B. in USVs.

Verglichen mit Batterien liefern Supercaps höhere Spitzenleistungen bei geringerer Größe. Außerdem haben sie eine höhere Zyklenlebensdauer über einen weiten Temperaturbereich. Die Lebensdauer von Supercaps kann durch eine Reduzierung der Ladeendspannung und die Vermeidung von hohen Temperaturen von mehr als 50 °C verlängert werden.

Auf der anderen Seite können Batterien viel Energie speichern, sind aber in der Leistungsdichte und -bereitstellung begrenzt. Bedingt durch ihre chemischen Eigenschaften weisen sie aber eine begrenzte Zahl an Lade-/Entladezyklen auf. Deshalb sind sie vor allem dann gut geeignet, wenn geringe Energie über einen langen Zeitraum geliefert werden soll, denn hohe Entladeströme reduzieren die Betriebsdauer drastisch. Die Tabelle zeigt einen Vergleich der Eigenschaften von Superkondensatoren, Kondensatoren und Batterien.

Bilder: 4

System zur Backup-Stromversorgung, Bilder 1-4

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