Kondensatoren
Aerogel-Superkondensatoren für Impulsleistungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Applikationsbeispiel: GSM-Telefon
Das Potential einer hybriden Lösung lässt sich am besten mit einem ein-fachen Beispiel - einem GSM-Telefon - erklären, bei dem als Spitzenstrom ein Wert von 2 A für ungefähr 600 µs benötigt wird. Werden zwei in Serie geschaltete Kondensatoren (2 F, 2,5 V und 0,1 Ω) der M-Serie parallel zu einer Energiequelle mit hoher Impedanz (Batterie, Brennstoffzelle oder Solarzelle) geschaltet, lässt sich der Spannungseinbruch am Leistungsverstärker gemäß Gleichung 1 errechnen:
Udrop = Iload × (ESR + t/C)
wobei t für die Impulsdauer und C für den Kapazitätswert steht. Somit ergibt sich für das Beispiel folgender Wert:
Udrop = 2 A × (0,2 Ω + 600 µs / 1 F) = 0,4012 V
Der größte Teil des Spannungseinbruchs wird durch den Innenwiderstand verursacht. In der Praxis fällt der Spannungseinbruch noch kleiner aus, da ein Teil des benötigten Stroms von der Batterie geliefert wird.
Der Vorteil dieses hybriden Systems besteht darin, dass der Spannungseinbruch an der Last während eines Spitzenstroms reduziert werden kann und damit die Schaltung mit einer viel niedrigeren Batteriespannung weiterarbeiten kann. Dies führt bei den meisten Anwendungen mit impulsförmigen Strömen, z.B. beim Einsatz von Alkali-Batterien, zu einer zumindest dreifach längeren Batterielaufzeit, als es mit einer Standardlösung der Fall wäre. Sogar bei den deutlich teureren Batterien mit niedriger Impedanz, z.B. Li-Ionen-Akkus, hat die hybride Lösung besonders bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ihre Vorteile. Darüber hinaus können als Energiequelle beispielsweise Solarzellen mit sehr geringer Leistungsabgabe verwendet werden.
Stromversorgung, Überbrückung von Stromausfällen und Spannungspuffer
Außer in Leistungsanwendungen mit impulsförmigen Strömen können PowerStor-Superkondensatoren auch generell als Stromversorgung, zur kurzzeitigen Überbrückung von Stromausfällen oder als Spannungspuffer verwendet werden. Wiederaufladbare Batterien als Stromversorgung können durch Aerogel-Kondensatoren immer dann ersetzt werden, wenn der Betrieb nur über wenige Minuten oder Sekunden hinweg gewährleistet werden muss. Da Kondensatoren sehr schnell aufgeladen werden können, muss man sich zudem auch über ökonomisch günstige Ladezeiten im Tagesverlauf keine Gedanken machen.
Bei solarbetriebenen Anwendungen wiederum versorgt die Solarzelle tagsüber das Gerät und lädt gleichzeitig den Kondensator auf. Nachts übernimmt dann der Kondensator die Stromversorgung. Besonders interessant ist hierbei die fast unendliche Lebensdauer des Kondensators im Vergleich zu Batterien. Das gilt umso mehr, wenn Ni-Cd-Batterien immer nur wenig entladen und aufgeladen werden. In diesem Fall reduziert sich deren Lebensdauer auf nur einige Monate, während ein Superkondensator über die gesamte Produktlebensdauer der jeweiligen Applikation verwendet werden kann.
Bei Anwendungen zur kurzzeitigen Überbrückung von Stromausfällen oder als Spannungspuffer müssen ein unterbrechungsfreier Betrieb oder ein kontrolliertes Abschalten bei einem Ausfall oder beim Abschalten der Hauptstromquelle (Stromnetz, Batterie oder Solarzelle) gewährleistet werden. Hier kommt es auf einen hohen Kapazitätswert pro Volumeneinheit an, und diese liefern beispielsweise die von Cooper Bussmann produzierten PowerStor-Produkte der Serie B. Zur Verfügung stehen Kapazitätswertwerte von 0,22 bis 100 F, und dies mit einem ESR-Wert zwischen 20 mΩ und 3 Ω.
Um feststellen zu können, ob bei einer Anwendung mit impulsförmigen Strömen ein bestimmter Superkondensator-Typ für eine kurzzeitige Überbrückung der Hauptstromversorgung ausreicht, muss man abschätzen können, wie hoch der Spannungsabfall ausfällt.
Auch hier soll wieder ein einfaches Beispiel für Klarheit sorgen: In einer Schaltung mit einer nominellen Versorgungsspannung von 5 V wird ein Spannungsabfall von 3 V angenommen, und bei einem Stromausfall soll die Schaltung noch 10 s mit einem durchschnittlichen Laststrom von 350 mA weiterarbeiten. Da der größte Teil des Spannungsabfalls durch die Entladung des Kondensators verursacht wird, kann der ESR anfangs vernachlässigt werden. Hier findet deshalb Gleichung 2 Verwendung:
Udrop = Iload × t/C bzw. C = Iload × t/Udrop = 0,35 A × 10 s/2 V = 1,75 F
Beim Einsatz von zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren der Serie B mit 4,7 F (2,5 V, 0,15 Ω) ergibt sich:
Udrop = Iload × (ESR + t/C) = 0,35 A × (0,45 Ω + 10 s/2,35 F) = 1,65 V
Als Anmerkung sollte man hier darauf hinweisen, dass der ESR bei 1 kHz gemessen wird; bei DC-Entladung hingegen ist der ESR um den Faktor 1,5 höher als bei 1 kHz. Von dem über die Gleichung ermittelten Spannungsabfall in Höhe von 1,65 V entfallen 1,49 V auf die Kapazität.
Die Autorin: Dipl.-Ing. (FH) Stefani Schürmann arbeitet bei der Setron GmbH im Bereich Technisches Marketing für passive Bauelemente.
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