Versorgung von Schaltungen

In diesem Teil des Tutorials lernen Studierende der ISD, wie elektrische Schaltungen im Bereich Embedded Systems mit elektrischer Energie versorgt werden. Für Studierende der ETR und BMT ist dieser Teil nicht prüfungsrelevant.

Betrieb an einer Steckdose

Eine Schaltung braucht eine Energiequelle zur Versorgung. Bei stationären Schaltungen wird normalerweise eine Steckdose genutzt, um elektrische Energie aus dem Netz zu nutzen. Das Netz stellt eine sinusförmige Wechselspannung mit f = 50Hz und einem Effektivwert von 230V (Spitzenwert 325V) bereit. Der Innenwiderstand des Netzes an einer Steckdose ist sehr gering, deshalb stellt das Netz eine nahezu ideale Wechselspannungsquelle dar. Der Spitzenwert ändert sich mit der Last fast gar nicht. An einer Steckdose ist sehr viel Energie verfügbar, die eher über Sicherungen künstlich begrenzt werden muss.

Das Netz ist aus elektrischer Sicht eine perfekte Quelle. Leider kann ein Gerät am Netz nur eingeschränkt bewegt werden. Oft brauchen wir tragbare Lösungen. Der Trend geht dahin, dass immer mehr Schaltungen von Netz gelöst werden und tragbar werden.

Oft brauchen Sie in Ihrer Anwendung Gleichspannung und Gleichstrom. Wenn Mikrocontroller wie z. B. ein Arduino eingesetzt werden, dann brauchen Sie i. A. Versorgungsspannungen von 3,3V oder 5V gegen Masse. Beim Einsatz von Operationsverstärkern brauchen Sie oft ±12V gegen Masse. Das Netz liefert nur Wechselspannung, die oft einen viel zu großen Spitzenwert aufweist.

Netzteile erzeugen aus der Netzspannung am Eingang Gleichspannungen am Ausgang. Am einfachsten nutzen Sie Steckernetzteile, die Sie direkt in die Steckdose stecke können. Das Ladegerät Ihres Smartphones ist so ein Steckernetzteil. Am Ausgang stellt es eine Gleichspannung von 5V bereit. Der maximale Strom und damit auch die maximale Leistung variieren. Auf dem Netzteil sind normalerweise die Ausgangsspannung und der maximale Ausgangsstrom aufgedruckt.

Typische Ausgangsspannungen von Netzteilen sind 5V und 12V. Es gibt auch Netzteile mit einstellbarer Ausgangsspannung.

Netzteile weisen am Ausgang unterschiedliche Stecker auf. Oft sind das Hohlstecker oder USB-Stecker. Beachten Sie, dass Sie eine passende Buchse auf Ihrer Schaltung verbauen. Bei Hohlsteckern gibt es minimale Unterschiede in den Maßen, die zur Inkompatibilität von Stecker und Buchse führen (Innendurchmesser 2,1mm oder 2,5mm). USB-Stecker sind mechanisch oft nicht so belastbar wie Hohlstecker.

Betrieb an einer Batterie

Immer wenn Schaltungen tragbar sein müssen (wie z. B. ein Smartphone), werden Akkus oder Batterien eingesetzt. Ich verwende die Bezeichnung Akku in diesem Text für Akkus und Batterien. Batterien können nicht nachgeladen werden, Akkus schon. Aus ökologischer Sicht sind deshalb Akkus besser geeignet als Batterien. Die Ausgangsspannungen von Akkus und Batterien unterscheiden sich leider bei gleicher Bauform etwas. Akkus stellen eine etwas niedrigere Spannung als Batterien zur Verfügung. Deshalb laufen manche Schaltungen nur mit Batterien und nicht mit Akkus.

Energie und Bauform

Das Gewicht und die Abmessungen eine Akkus hängt von der Energie ab, die darin gespeichert ist. Batterien sind nach Bauform, Spannung und Energie unterteilt. Typische Akkus sind AAA-Zellen oder AA-Zellen, die oft in Fernbedienungen eingesetzt werden. Achten Sie darauf, dass Akkus gleicher Bauform (z. B. AA) nicht die gleiche Ausgangsspannung haben müssen!

Kapazität

Ein Akku weist eine Kapazität C auf. Sie wird in Amperestunden angegeben. Das ist die Einheit von Strom multipliziert mit der Einheit der Zeit. Wird die Kapazität mit der (mittleren) Spannung multipliziert, erhalten wir die Energieeinheit Wattstunden. Ein LiPo-Akku mit der mittleren Spannung U = 3,7V hat z. B. die Kapazität C = 1500mAh aufgedruckt. In ihm ist bei 100% SOC die Energie W_Max = U ∙ I ∙ t = 3,7V ∙ 1,5A ∙ 1h = 5,55Wh = 20kJ gespeichert. Aus dem Akku können Sie 60 Minuten lang 1,5A Strom ziehen. Wenn Sie weniger Strom ziehen, stellt der Akku diesen Strom länger bereit.

Ladezustand

Der Ladezustand (englisch „State of Charge oder SOC“) wird in Prozent angegeben. Ein leerer Akku ohne getrennte Ladung hat einen SOC von 0%. Ein voller Akku hat einen SOC von 100%. Der SOC sinkt, wenn dem Akku Strom entzogen wird. Er steigt beim Laden des Akkus mit Strom an. Hersteller geben eine mittlere Spannung an. Die reale Spannung liegt bei SOC = 100% etwas darüber. Bei niedrigem SOC liegt sie etwas darunter.

Selbstentladung

Batterien und Akkus entladen sich von selbst, auch wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Die Selbstentladung eines LiPo-Akkus beträgt etwa 1% der Kapazität pro Monat. Dies entspricht einem permanent fließenden Strom von wenigen Mikroampere. Volle Batterien, die über Jahre ungenutzt im Schrank liegen, entladen sich ebenfalls selbst. Bei diesem Prozess können sie auch auslaufen.

Alterung

Werden Akkus älter, können sie weniger getrennte Ladung speichern. Dann sinkt die Energie, die bei 100% SOC gespeichert werden kann. Bei dem Beispiel oben könnte der Akku nach 2 Jahren z. B. auf W_Max = 4Wh gesunken sein. Wenn Sie den gleichen Strom herausziehen, ist der Akku bereits früher leer. Sie kennen das von alten Smartphones oder Notebooks. Die Akku-Laufzeit sinkt über die Betriebsmonate.

Maximaler Ausgangsstrom

Akkus stellen am Ausgang einen maximalen Strom bereit, der nicht überschritten werden sollte. Bei vielen Akkus ist dieser Wert aufgedruckt oder im Datenblatt angegeben. Bei einem NiMh AA-Akkus beträgt dieser Wert ca. 1A. Der maximale Strom hängt bei LiPo-Akkus von der Kapazität C ab. Sie finden z. B. Angaben wie „I_Max = 20C“. Bei C = 1500mAh beträgt der maximale Strom dann I_Max = 20 ∙ 1500mAh = 30A. Die Einheit passt zwar nicht, aber so wird in der Praxis gerechnet. Wird der maximale Strom überschritten, altert der Akku viel schneller und er wird sehr warm.