Verwendung eines einzelnen Superkondensators als Reservequelle für eine 5-Volt-Versorgung

Einst auf unternehmenskritische Geräte beschränkt, sind Pufferlösungen heute für eine Vielzahl von elektronischen Anwendungen in industriellen, kommerziellen und Verbraucherendprodukten gefragt. Es gibt zwar mehrere Möglichkeiten, aber der Superkondensator bietet die kompakteste und energiereichste Lösung als Energiereservoir, wenn die Hauptversorgung unterbrochen ist. Zum Beispiel, wenn die Hauptstromversorgung ausfällt oder die Batterien ausgetauscht werden.

Superkondensatoren stellen jedoch eine Herausforderung für das Design dar, da jede Komponente nur bis zu 2,7 Volt liefern kann. Das bedeutet, dass möglicherweise mehrere Superkondensatoren benötigt werden - jeder mit zugehörigem Zellenausgleich und Aufwärts- (Boost) oder Abwärtsspannungswandlern (Buck) - um eine 5-Volt-Stromschiene mit geregeltem Strom zu versorgen. Das Ergebnis ist eine komplexe und vielschichtige Schaltung, die relativ teuer ist und viel Platz auf der Platine beansprucht.

Dieser Artikel vergleicht Batterien mit Superkondensatoren und erklärt, warum letztere mehrere technische Vorteile für kompakte elektronische Niederspannungsanwendungen bieten. Der Artikel erklärt dann, wie man eine einfache und elegante Lösung für die Stromversorgung einer 5-Volt-Schiene mit nur einem einzigen Kondensator in Kombination mit einem reversiblen Abwärts-/Aufwärtsspannungswandler entwickelt.

Batterien vs. Superkondensatoren

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ist zu einem entscheidenden Element für eine zufriedenstellende Benutzererfahrung bei modernen elektronischen Geräten geworden. Ohne eine konstante Stromversorgung funktionieren elektronische Produkte nicht nur nicht mehr, sie können auch wichtige Informationen verlieren. Ein PC, der an das Stromnetz angeschlossen ist, verliert beispielsweise bei einem Stromausfall die Daten in seinem flüchtigen RAM. Oder eine Insulinpumpe könnte beim Batteriewechsel wichtige Blutzuckermesswerte aus dem flüchtigen Speicher verlieren.

Eine Möglichkeit, dies zu verhindern, besteht darin, eine Pufferbatterie einzubauen, die Energie speichert, die bei einem Ausfall der Hauptstromquelle wieder abgegeben werden kann. Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) sind eine ausgereifte Technologie und bieten eine sehr gute Energiedichte, so dass ein relativ kompaktes Gerät über längere Zeiträume hinweg eine Notstromversorgung bieten kann.

Aber unabhängig von ihrer chemischen Basis haben alle Batterien bestimmte Eigenschaften, die unter bestimmten Umständen problematisch sein können. Sie sind zum Beispiel relativ schwer, brauchen relativ lange zum Aufladen (was bei häufigen Stromausfällen ein Problem sein könnte), die Zellen können nur eine begrenzte Anzahl von Malen aufgeladen werden (was die Wartungskosten erhöht), und die Chemikalien, aus denen sie hergestellt werden, können Sicherheits- und Umweltgefahren mit sich bringen.

Eine alternative Lösung für die Reservestromversorgung ist der Superkondensator, auch bekannt als Ultrakondensator. Ein Superkondensator wird technisch als elektrischer Doppelschichtkondensator (EDLC) bezeichnet. Die Komponente ist aus symmetrischen, elektrochemisch stabilen, positiven und negativen Kohlenstoffelektroden aufgebaut. Diese werden durch einen isolierenden, ionendurchlässigen Separator getrennt, der in einen mit organischem Salz/Lösungsmittel-Elektrolyt gefüllten Behälter eingebaut ist. Der Elektrolyt ist so konzipiert, dass er die ionische Leitfähigkeit und die Elektrodenbenetzung maximiert. Die Kombination von Aktivkohleelektroden mit großer Oberfläche und extrem geringer Ladungstrennung führt zu einer wesentlich höheren Kapazität eines Superkondensators im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Superkondensator verwendet symmetrische positive und negative Kohlenstoffelektroden, die durch einen isolierenden, ionendurchlässigen Separator getrennt sind, der in einen Elektrolyten eingetaucht ist. Die Kombination aus großflächigen Elektroden und extrem geringer Ladungstrennung führt zu einer hohen Kapazität. (Bildquelle: Maxwell Technologies)

Die Ladung wird elektrostatisch durch reversible Adsorption des Elektrolyten an den großflächigen Kohlenstoffelektroden gespeichert. Bei der Polarisierung an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt kommt es zu einer Ladungstrennung, wodurch die namensgebende Doppelschicht entsteht. Dieser Mechanismus ist in hohem Maße reversibel, so dass der Superkondensator Hunderttausende von Malen geladen und entladen werden kann, auch wenn die Kapazität mit der Zeit etwas abnimmt.

Da sie auf dem elektrostatischen Mechanismus zur Energiespeicherung beruhen, ist die elektrische Leistung von Superkondensatoren besser vorhersehbar als die von Batterien, und ihre Konstruktionsmaterialien machen sie zuverlässiger und weniger anfällig für Temperaturschwankungen. Was die Sicherheit betrifft, so enthalten Superkondensatoren weniger flüchtige Stoffe als Batterien und können für einen sicheren Transport vollständig entladen werden.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich Superkondensatoren im Vergleich zu Sekundärbatterien viel schneller wieder aufladen, so dass bei einem erneuten Stromausfall kurz nach dem ersten Ausfall sofort Ersatzstrom zur Verfügung steht. Superkondensatoren können auch viel mehr Ladezyklen vertragen, was die Wartungskosten senkt.

Außerdem bieten Superkondensatoren eine viel höhere Leistungsdichte (ein Maß dafür, wie viel Energie in einer Zeiteinheit gespeichert oder abgegeben werden kann) als Batterien. Dies gewährleistet nicht nur ein schnelles Aufladen, sondern ermöglicht bei Bedarf auch hohe Stromstöße, so dass sie für eine Vielzahl von Anwendungen als Reservestromversorgung eingesetzt werden können (Abbildung 2). Außerdem haben Superkondensatoren einen wesentlich geringeren effektiven Serienwiderstand (ESR) als Batterien. Dadurch können sie effizienter Strom liefern, ohne dass die Gefahr einer Überhitzung besteht. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung durch Superkondensatoren liegt in der Regel bei über 98 %.

Abbildung 2: Wiederaufladbare Batterien können bei geringen Strömen lange Zeit Strom liefern, benötigen aber viel Zeit zum Aufladen. Im Gegensatz dazu entladen sich Superkondensatoren (oder Ultrakondensatoren) schnell mit hohem Strom, laden sich aber auch schnell wieder auf. (Bildquelle: Maxwell Technologies)

Der größte Nachteil von Superkondensatoren ist ihre relativ geringe Energiedichte (ein Maß für die pro Volumeneinheit gespeicherte Energie) im Vergleich zu wiederaufladbaren Batterien. Mit der heutigen Technologie kann eine Lithium-Ionen-Batterie zwanzigmal mehr Energie speichern als ein Superkondensator mit demselben Volumen. Die Lücke schließt sich, da neue Materialien die Superkondensatoren verbessern, aber sie wird wahrscheinlich noch viele Jahre lang groß bleiben. Ein weiterer erheblicher Nachteil von Superkondensatoren sind die relativ hohen Kosten im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien.

Überlegungen zur Verwendung von Superkondensatoren

Wenn ein elektronisches Produkt auf einen Superkondensator als Reservestromversorgung angewiesen ist, muss der Entwickler unbedingt wissen, wie er die beste Komponente für eine zuverlässige Energiespeicherung und -abgabe sowie eine lange Lebensdauer auswählt.

Eines der ersten Dinge, die Sie auf dem Datenblatt überprüfen sollten, ist die Auswirkung der Temperatur auf Kapazität und Widerstand. Es ist eine gute Entwicklungspraxis, ein Bauteil zu wählen, das über den vorgesehenen Betriebstemperaturbereich des Endprodukts hinweg nur sehr geringe Veränderungen aufweist, so dass im Falle einer Reservestromversorgung die Versorgungsspannung stabil ist und die Energie effizient geliefert wird.

Die Lebensdauer von Superkondensatoren wird weitgehend durch die kombinierte Wirkung von Betriebsspannung und Temperatur bestimmt (Abbildung 3). Ein Superkondensator fällt selten in katastrophaler Weise aus. Stattdessen verändern sich Kapazität und Innenwiderstand im Laufe der Zeit und verschlechtern allmählich die Leistung, bis das Bauteil nicht mehr in der Lage ist, die Spezifikationen des Endprodukts zu erfüllen. Der Leistungsabfall ist zu Beginn der Lebensdauer des Endprodukts in der Regel größer und nimmt mit zunehmendem Alter des Endprodukts ab.

Abbildung 3: Höhere Temperaturen und angelegte Spannungen können die Lebensdauer von Superkondensatoren verkürzen. (Bildquelle: Elcap, CC0, über Wikimedia Commons, geändert vom Autor)

Bei der Verwendung als Reservestromquelle wird der Superkondensator über lange Zeiträume auf der Betriebsspannung gehalten und muss nur sehr gelegentlich seine gespeicherte Energie entladen. Dies wird sich letztendlich auf seine Performance auswirken. Im Datenblatt wird die Abnahme der Kapazität im Laufe der Zeit für typische Betriebsspannungen und bei verschiedenen Temperaturen angegeben. Bei einem Superkondensator, der bei 2,5 Volt 88.000 Stunden (10 Jahre) bei 25 °C gehalten wird, kann es beispielsweise zu einer Verringerung der Kapazität um 15 % und einem Anstieg des Innenwiderstands um 40 % kommen. Ein solcher Leistungsabfall sollte bei der Entwicklung von Reservequellen für Endprodukte mit langer Lebensdauer berücksichtigt werden.

Die Zeitkonstante für einen Kondensator ist die Zeit, die die Komponente benötigt, um 63,2 % der vollen Ladung zu erreichen oder sich auf 36,8 % der vollen Ladung zu entladen. Die Zeitkonstante eines Superkondensators beträgt etwa eine Sekunde und ist damit wesentlich kürzer als die eines Elektrolytkondensators. Aufgrund dieser kurzen Zeitkonstante sollte der Entwickler darauf achten, dass der Superkondensator für die Reservestromversorgung nicht einem kontinuierlichen Brummstrom ausgesetzt wird, da dies zu Schäden führen kann.

Superkondensatoren können zwischen 0 Volt und ihrem maximalen Nennwert betrieben werden. Während eine effiziente Nutzung der verfügbaren Energie und Leistungsspeicherung des Superkondensators erreicht wird, wenn er über den größten Spannungsbereich betrieben wird, haben die meisten elektronischen Komponenten eine Mindestspannungsschwelle. Diese Mindestspannung begrenzt die Energiemenge, die dem Kondensator entnommen werden kann.

Die im Kondensator gespeicherte Energie ist zum Beispiel E = ½CV². Aus dieser Beziehung lässt sich errechnen, dass etwa 75 % der verfügbaren Energie zur Verfügung stehen, wenn das System mit der halben Nennspannung des Kondensators betrieben wird (zum Beispiel von 2,7 auf 1,35 Volt).

Herausforderungen bei der Verwendung mehrerer Superkondensatoren

Aufgrund ihrer Vorteile eignen sich Superkondensatoren für die Reservestromversorgung zahlreicher elektronischer Produkte, doch muss sich der Entwickler der Herausforderungen bewusst sein, die sie mit sich bringen. Die Einrichtung einer Reservestromversorgung kann für einen unerfahrenen Techniker ein großes Unterfangen sein. Die Hauptkomplexität besteht darin, dass handelsübliche Superkondensatoren für etwa 2,7 Volt ausgelegt sind, so dass zur Versorgung einer typischen 5-Volt-Stromschiene zwei Superkondensatoren in Reihe geschaltet werden müssen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Handelsübliche Superkondensatoren sind für etwa 2,7 Volt ausgelegt. Um eine typische 5-Volt-Stromschiene zu versorgen, müssen also zwei Superkondensatoren in Reihe geschaltet werden, was den Entwurfsprozess erschwert. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Dies ist zwar eine zufriedenstellende Lösung, verursacht aber zusätzliche Kosten und Komplexität, da ein aktiver oder passiver Zellenausgleich erforderlich ist. Aufgrund von Kapazitätstoleranzen, unterschiedlichen Leckströmen und unterschiedlichen ESRs kann die Spannung an zwei oder mehr nominell identischen und vollständig geladenen Kondensatoren unterschiedlich sein. Dieses Spannungsungleichgewicht führt dazu, dass ein Superkondensator in einem Reservekreislauf eine höhere Spannung liefert als der andere. Mit steigender Temperatur und/oder Alterung der Superkondensatoren kann dieses Spannungsungleichgewicht so weit zunehmen, dass die Spannung an einem Superkondensator den Nennwert der Komponente überschreitet und die Lebensdauer beeinträchtigt.

Der Zellenausgleich bei Anwendungen mit niedriger Einschaltdauer wird in der Regel durch die Parallelschaltung eines Bypass-Widerstands zu jeder Zelle erreicht. Der Wert des Widerstands wird so gewählt, dass ein beliebiger Stromfluss den Gesamtleckstrom des Superkondensators dominiert. Mit dieser Technik wird sichergestellt, dass jede Abweichung des Parallelersatzwiderstands zwischen den Superkondensatoren vernachlässigbar ist. Wenn die Superkondensatoren im Reservekreislauf beispielsweise einen durchschnittlichen Leckstrom von 10 Mikroampere (μA) aufweisen, ermöglicht ein Widerstand von 1 % einen Bypass-Strom von 100 μA, wodurch sich der durchschnittliche Leckstrom auf 110 μA erhöht. Auf diese Weise verringert der Widerstand die Schwankung des Leckstroms zwischen den Superkondensatoren von mehreren zehn Prozent auf nur wenige Prozent.

Wenn alle parallelen Widerstände gut aufeinander abgestimmt sind, entladen sich die Superkondensatoren mit höheren Spannungen über ihren parallelen Widerstand schneller als die Superkondensatoren mit niedrigeren Spannungen. Dadurch wird die Gesamtspannung gleichmäßig auf die gesamte Reihe der Superkondensatoren verteilt. Für Anwendungen mit hoher Beanspruchung ist eine anspruchsvollere Superkondensator-Ausgleichsschaltung erforderlich.

Verwendung eines einzigen Superkondensators für eine 5-Volt-Versorgung

Der Stromkreis für die Reservestromversorgung könnte weniger komplex sein und weniger Platz beanspruchen, wenn ein einziger Superkondensator anstelle von zwei oder mehr verwendet wird. Bei einer solchen Anordnung entfällt die Notwendigkeit einer Ausgleichsschaltung für den Superkondensator. Der 2,7-Volt-Ausgang einer einzelnen Komponente muss jedoch mit Hilfe eines Boost-Spannungsreglers erhöht werden, der eine ausreichende Spannung erzeugt, um den Spannungsabfall über eine Diode zu überwinden und das System mit 5 Volt zu versorgen. Der Superkondensator wird von einer Ladekomponente aufgeladen und bei Bedarf über den Aufwärtswandler entladen. Über Dioden kann entweder die primäre Stromquelle oder der Superkondensator das System mit Strom versorgen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Bei der Verwendung eines einzigen Superkondensators in einem Reservekreislauf entfällt die Notwendigkeit des Zellenausgleichs, doch ist ein Aufwärtsregler erforderlich, um die Ausgangsspannung des Superkondensators zu erhöhen. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Eine elegantere Lösung ist die Verwendung eines einzigen Kondensators, ergänzt durch einen speziellen Spannungswandler, wie z. B. den reversiblen Abwärts/Aufwärts-Spannungsregler MAX38888 oder MAX38889 von Maxim Integrated. Ersterer bietet eine Ausgangsspannung von 2,5 bis 5 Volt und bis zu 2,5 Ampere (A), während letzterer ein Bauteil mit einer Ausgangsspannung von 2,5 bis 5,5 Volt und 3 A ist (Abbildung 6).

Abbildung 6: Bei Verwendung in einem Superkondensator-Reservekreislauf machen die reversiblen Regler MAX38889 (oder MAX38888) separate Lade- und Aufladekomponenten sowie Dioden überflüssig. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Der MAX38889 ist ein flexibler Speicherkondensator- oder Kondensatorbank-Regler zur effizienten Leistungsübertragung zwischen dem/den Superkondensator(en) und einer Systemversorgungsschiene. Wenn die Hauptstromversorgung vorhanden ist und ihre Spannung über dem Mindestschwellenwert für die Systemversorgungsspannung liegt, arbeitet der Regler im Lademodus und lädt den Superkondensator mit einem maximalen Spitzenstrom von 3 A und einem durchschnittlichen Induktorstrom von 1,5 A. Der Superkondensator muss vollständig aufgeladen sein, um den Reservebetrieb zu ermöglichen. Sobald der Superkondensator aufgeladen ist, verbraucht der Schaltkreis nur 4 μA Strom und hält die Komponente in ihrem Bereitschaftszustand.

Wenn die Hauptstromversorgung unterbrochen wird, verhindert der Regler, dass das System unter die eingestellte System-Reservebetriebsspannung abfällt, indem er die Superkondensatorspannung auf die erforderliche Systemspannung bei einem programmierten Induktionsspitzenstrom von bis zu 3 A anhebt.

Die Dauer der Pufferung hängt von der Energiereserve des Superkondensators und der Leistungsaufnahme des Systems ab. Die Eigenschaften der Produkte von Maxim Integrated ermöglichen eine maximale Reservestromversorgung aus einem einzigen 2,7-Volt-Superkondensator und reduzieren gleichzeitig die Anzahl der Schaltungskomponenten, da keine separaten Lade- und Verstärkungskomponenten sowie Dioden erforderlich sind.

Fazit

Superkondensatoren bieten mehrere Vorteile gegenüber Sekundärbatterien für die Reservestromversorgung in bestimmten Anwendungen, z. B. bei häufigem Batteriewechsel. Im Vergleich zu wiederaufladbaren Batterien lassen sich Superkondensatoren schneller aufladen, vertragen sehr viel mehr Ladezyklen und bieten eine viel höhere Leistungsdichte. Ihr Ausgang von maximal 2,7-Volt stellt jedoch eine gewisse Herausforderung dar, wenn es darum geht, eine typische 5-Volt-Versorgung zu unterstützen.

Wie gezeigt, bieten reversible Abwärts/Aufwärts-Spannungsregler eine elegante Lösung, da sie es ermöglichen, dass ein einziger Superkondensator eine 5-Volt-Leitung stützt, während gleichzeitig der Platzbedarf und die Anzahl der erforderlichen Komponenten minimiert werden.