Ein paar Gedanken aussem Ländle

Gerät beim Batteriewechsel mit Strom versorgen - Wie?

Gegeben sei ein Verbraucher, der mit zum Beispiel mit 2 Akkus a 1,5 V Nennspannung betrieben wird. Dieser muss nach jedem Batteriewechsel neu programmiert werden. Kann man das ändern?

Der Akku ist entladen. Ist es nicht schon zu spät?

Mit einem einfachen Blick auf die abgebildete Schaltung sollte klar sein, dass man überhaupt nur dann etwas tun kann, wenn der Akku nicht bereits so weit entladen ist, dass die Programmierdaten bereits verloren sind. Das muss nicht, kann aber durchaus der Fall sein. In einem solchen Fall, sollte man sich keinerlei Illusionen hingeben, man hat im Grunde keine Chance mehr.

So etwas kann man übrigens prüfen und das sollte man auch als erstes tun. Man nimmt eine einstellbare Stromversorgung – oder eben Labornetzteil genannt – und versorgt das Gerät. Batterien haben eine Nennspannung von 1,5 Volt und die Nennspannung von handelsüblichen Akkus liegt etwas darunter ca. 1,3 Volt.

Man beginnt also bei einer Spannung von 2,6 Volt und regelt diese langsam also etwa im Minutentakt um 0,05 Volt herunter. Spätestens bei ca. 1,8 Volt sollte das Gerät abschalten und eine leere Batterie melden. Im folgenden nenne ich den Betrieb “Batterie-Standby-Betrieb”. Wenn das geschehen ist, dann wartet man 1/2 Stunde oder länger und dreht erst dann die Spannung wieder hoch etwas über 2 Volt. Das Gerät müsste wieder einschalten und die Programmierung müsste noch vorhanden sein.

Wann verliert das Gerät die Programmierung?

Nun sind zwei Messungen interessant. Das eine ist die Messung des Stromverbrauches während des Batterie-Standby-Betriebes und der kann wahrscheinlich nur mit einem sehr genauen Amperemeter ermittelt werden. Mit diesem Wert kann man abschätzen, wie lange ein leerer Akku hält oder ob ggf. ein Kondensator auch reichen würde für einen Akkuwechsel.

Nehmen wir an, der Übergang in den Batterie-Standby-Betrieb würde bei 1,8 Volt stattfinden. Dann würde ich eine weitere Messung durchführen bei 1 Volt. Also das Gerät 1/2 Stunde mit 1 Volt betreiben, die Spannung hochfahren und prüfen, ob die Programmierung noch stimmt. War die Messung erfolgreich, dann wiederholt man sie mit 0,5 Volt, andernfalls mit 1,5 Volt. Auf diese Art grenzt man nun den Bereich ein, in dem das Gerät vom Batterie-Standby-Betrieb übergeht in den Zustand “Verlust aller Daten”.

Wir wissen nun also

1. Bei welcher Spannung geht das Gerät in den Batterie-Standby-Betrieb über?
2. Welcher Strom fließt dann?
3. Bei welcher Spannung verliert das Gerät die Daten?

Dimensionierung der “unterbrechungsfreien Stromversorgung”

Nun lassen sich zur Dimensionierung der USV schon relativ leicht ein paar Fragen beantworten.

1. Muss man mit 2 Akkus überbrücken oder genügt einer?
2. Macht es Sinn einfach einen Kondensator im Gerät einzubauen. Es gibt Goldcaps mit der Kapazität von 1 Farad.
3. Ist es sinnvoll mit einer Knopfzelle (oder zwei) zu überbrücken?

Die “unterbrechungsfreie Stromversorgung” mit Akkus

Nun könnte man unter anderem einen Akku/Batterie parallel schalten, den entladenen Akku/Batterie austauschen und den Hilfsakku/Hilfsbatterie wieder entfernen.

Mit einem Blick auf die Schaltung sollte auffallen, dass dabei der geladene Akku/Batterie eine höhere Spannung hat als der ungeladene und demzufolge der geladene Akku/Batterie den ungeladenen sofort auflädt. Dabei fließt ein Strom, der nur abhängt von der Spannungsdifferenz und vom Innenwiderstand der beiden Akkus/der beiden Batterien.

Nun spricht man landläufig davon, dass bei dieser Schaltung ein Strom fließen kann, der die Akkus zerstört oder gar zur Explosion bringt. Mir sind weder bestätigte Berichte bekannt, noch Experimente, die belegen, dass dies so ist oder sein kann.

Ein wenig zu den Argumenten für und wider:

Bei der KFZ-Starthilfe kann ein Fahrzeug nicht mehr angelassen werden, weil die im Fahrzeug eingebaute 12 Volt-Batterie entladen ist – man hat zum Beispiel das Licht über Nacht brennen lassen. Normalerweise fährt ein anderes Fahrzeug mit geladener Batterie vor, man überbrückt beide Batterien und das Fahrzeug mit entladener Batterie kann den Motor anlassen. Bei dieser Methode werden Autobatterien überbrückt und bisher sind noch keine dabei zerstört worden. Und schon gar nicht sind bisher solche Batterien explodiert.

Hier muss man aber auch beachten, dass Autobatterien extrem spezialisiert sind auf “Ladefähigkeit”. Sie können also einen relativ hohen Ladestrom sehr leicht verkraften, vor allem so kurzzeitig.

Bei unserem Akku/Batterieproblem beträgt die Spannungsdifferenz von geladenen und ungeladenen Batterien (Satz mit zwei Batterien bzw. Akkus) ca. 1 Volt und bei Akkus ca. 0,8 Volt. Die Innenwiderstände liegen in der Größenordnung von vielleicht 0,4 Ohm pro Batterie, damit bei etwa 0,8 Ohm für beide. Damit sind Ströme möglich von 1,3 Ampere und bei 1 Volt eben eine Leistung von 1,3 Watt.

Mit anderen Worten: Im Normalfall dürfte die Batterie oder der Akku nicht explodieren, denn bei der Leistung dauert es schon eine Zeit, bis die Batterien eine entsprechende Temperatur und damit einen inneren Druck aufgebaut haben.

Aber noch einmal:

1. Mir sind keine Fälle bekannt, in denen es zur Explosion gekommen ist.
2. Mir ist keine Mess- und Versuchsanordnung bekannt, mit der nachgewiesen wurde, dass es nicht zur Explosion kommt.
3. Eine Autobatterie hat eine Deutlich bessere Fähigkeit, hohe Ladeströme zu akzeptieren als die kleinen Geräteakkus oder gar eine Batterie. Damit lassen sich auch nichtexplosive Schädigungen nicht ausschließen.

Damit aber ist bei dieser Parallelschaltung nach meiner Auffassung eine solche Schutzdiode nötig. Und mal ernsthaft. So ein Ding ist nicht teuer – es ist vielleicht ein wenig gefrickel beim nachträglichen Einbau – und man ist schnell beruhigt, dass nichts passieren kann.

Die “unterbrechungsfreie Stromversorgung” mit Kondensatoren

Man kann auf das Gefummel mit einem Ersatzakku verzichten, wenn man einfach einen Goldcap besorgt. Goldcaps sind Kondensatoren mit spezieller Bauform, die auf kleinstem Raum extrem große Kapazitäten unterbringen können. Wer sich von der Leistungsfähigkeit dieser Bauteile überzeugen möchte, der möge sich mit dem Fahrad-Standlichtprojekt einmal näher befassen. Ein solches Standlicht habe ich auch an meinem Fahrrad und das ist wirklich eine sehr gute Sache. Auch an der Ampel ist das Fahrrad vorne wie hinten beleuchtet.

Ein solcher Goldcap kann nun “einfach” in die Stromversorgung integriert werden. Allerdings sollte man bei den Kapazitäten beachten, dass diese ungeladen nichts anderes darstellen als ein Kurzschluss. Ein “einfaches Einlöten” eines solchen Kondensators dürfte damit zur Zerstörung desselben führen oder auch anderer Bauteile.

Dabei ist das “Entladen” unkritisch. Also auf der Seite kann der Kondensator direkt den Verbraucher betreiben. Das Laden kann nur über einen Widerstand erfolgen. Dabei sollte man beim Wert durchaus “mutig” sein. Ein Kondensator von 1 F und ein Widerstand von 100 Ohm führt zu einer Zeitkonstante (R*C) von 100 Sekunden und damit bei ca. 5*R*C ist er praktisch geladen. Das sollte ausreichen.

Und damit hätte man eine einfache Überbrückungsschaltung für die Stromversorgung. Natürlich kann man hier keine Antwort geben in dem Sinne, dass dies immer funktioniert. Weiter oben sind ein paar Fragen beantwortet worden, die ich hier noch einmal wiederhole und damit die Messgrößen definiere:

1. Bei welcher Spannung geht das Gerät in den Batterie-Standby-Betrieb über? U_stb
2. Welcher Strom fließt dann? I_stb
3. Bei welcher Spannung verliert das Gerät die Daten? U_clear

Weiterhin gibt es noch die Kapazität des Goldcaps C_gc und natürlich noch die maximale Überbrückungszeit t_br, die wir berechnen wollen.

Die auf einem Kondensator aufgebrachte elektrische Ladung Q ist allgemein das Produkt aus Kapazität C und Spannung U:

Q = C * U

Wenn das System bei U_stb in den Standby-Betrieb geht und bei U_clear die Daten verloren gehen, dann kann man schreiben:

Q_stb – Q_clear = C_gc (U_stb – U_clear)

Dabei ist aber

Q_stb – Q_clear = I_stb * t_br

Es folgt:
C_gc (U_stb – U_clear) = I_stb * t_br

Angenommen U_stb läge bei 2 Volt und U_clear bei 1,5 Volt, sowie I_stb bei 1 mA, dann würde hier eine Überbrückungszeit resultieren von ca. 500 Sekunden.

Lösungen ohne Dioden

An den Dioden fällt in Durchlassrichtigung eine Spannung ab von ca. 0,6 Volt bei Siliziumdioden und ca. 0,3 Volt bei Germaniumdioden. Man sollte also Germaniumdioden wählen und dann hat man trotzdem eine um ca. 0,6 Volt niedrigere Spannung in der Stromversorgung.

Mit den Zahlen oben könnte man den Goldcap einfach über einen Widerstand von 50 Ohm betreiben – ohne Dioden. Wenn der Verbraucher eine Last zieht von 1 mA, dannfällt hier 0,05 Volt ab. Klemmt man “volle Batterien” mit ca. 3 Volt (2 Batterien) an einen ungeladenen Goldcap, dann fließt ein anfänglicher Stom von 60 mA um den Kondensator aufzuladen. Die Zeitkonstante R*C beträgt ca. 50 Sekunden und damit ist der Kondensator in ca. 250 Sekunden (5*R*C) aufgeladen.

Zusammenfassung

Diese Rechnungen zeigen klar, dass man nur mit wirklichen Messungen einen solchen Umbau planen und vorbereiten sollte. Denn bei zu kleinen Differenzen von U_stb und U_clear wird die Üerbrückungszeit sehr schnell zu klein. Hier kann man nur mit vielen Kondensatoren kompensieren dazu braucht man zumindest Platz im Gehäuse.

Dessen ungeachtet halte ich den Einbau eines Goldcap für die eleganteste Lösung. Es gibt eben nur kein Allgemeinrezept. Man muss messen und nachdenken, welche Schaltung die sinnvollste und einfachste ist.

_

— Wolfgang Uhr · Mittwoch November 21, 2007

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Kommentare

1. — Robert · Nov 22, 08:54 · #

   Die Parallelschaltung von Spannungsquellen mit “mir sind keine Berichte von Explosioen bekannt” zu argumentieren ist in der Tat nachlässig. Abhängig von den beteiligten Innenwiderständen der beiden Primärquellen und deren Chemie kann das durchaus lustig werden.

   Klar, eine Knopfzelle ist kein Energiebündel und wird es auch im Fall der chemischen Überreaktion nie werden, aber für etwas grössere elektrochemische Spannungsquellen würde ich zumindest recht vorsichtig vorgehen.

   Die Schaltung über die Schutzdiode hat halt den Nachteil, dass der Spannungsabfall an der Diode die Nutzungsdauer der Batterie zusätzlich verkürzt.

   Zusätzlich zu berücksichtigen: Der Laststrom hängt in der Regel von der Versorgungsspannung ab, deine Berechnung über die Kondensatorentladung ermittelt daher eher eine unter Grenze der Überbrückungszeit anhand der Tangente der Entladungskurve. In Wahrheit wird das Gerät wohl noch etwas länger laufen.

   Hach, ist doch was hängen geblieben aus der Schulzeit ;-)

2. — wolfgang · Nov 22, 10:54 · #

   Du hast recht Robert, ich habe die 0,6 Volt vergessen und das ist recht viel. Vielleicht noch im Anschluss. Siliziumdioden haben 0,6 Volt Spannungsabfall und Germaniumdioden 0,3 Volt.

   Ansonsten das mit den “Batterien parallelschalten”, da gebe ich dir Recht. Ein mulmiges Gefühl hat man da schon. Aber ich kenne wirklich keine Literatur mit Aussagen in der einen wie in der andren Richtung.

   Und zumindest wenn größere Unfälle passiert wären, dann wäre es in irgend einer Unfallverhütungsvorschrift verboten worden. – Meine ich …

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