IoT-Knoten mit Superkondensatoren immun gegen Spannungseinbrüche machen

Wenn IoT- (Internet der Dinge) oder IIoT-Netzwerke (Industrielles Internet der Dinge) an dasselbe Hauptstromnetz angeschlossen sind, das auch von privaten Stromkunden genutzt wird, sind sie für Dutzende von Sekunden Stromschwankungen, Spannungseinbrüchen oder sogar einem vollständigen Stromausfall ausgesetzt. Zustandslose Knoten können beim Einschalten den Betrieb wieder aufnehmen; Knoten, die ihren Zustand über einen längeren Zeitraum beibehalten müssen, werden jedoch beim Einschalten zurückgesetzt, was zu Fehlfunktionen, Verzögerungen oder Leistungseinbußen des Netzwerks führen kann.

Backup-Batterien sind eine Möglichkeit, Resets zu vermeiden, aber sie haben eine begrenzte Lebensdauer und sind über die Lebensdauer des Geräts potenziell teurer. Stattdessen können Superkondensatoren - gepolte Elektrolytkondensatoren mit Nennleistungen von 1 Farad (F) oder höher - verwendet werden.

In diesem Artikel wird erörtert, wie wichtig es ist, sicherzustellen, dass IoT- und IIoT-Geräte, auf denen kritische Prozesse ausgeführt werden, weiterhin mit Strom versorgt werden. Danach wird gezeigt, wie Superkondensatoren zum Schutz vor Spannungseinbrüchen eingesetzt werden können, und zwar anhand von zwei Beispielkomponenten, je eines von der AVX Corporation und Illinois Capacitor.

Das Problem mit dem Anschluss von IoT-Knoten an das Stromnetz von Privathaushalten

Industrieanlagen, in denen kritische Prozesse ablaufen, verfügen häufig über Notstromgeneratoren für den Fall eines vorübergehenden Stromausfalls des Elektrizitätsunternehmens. Redundanzen und mehrere Generatoren sorgen dafür, dass der Strom ständig aufrechterhalten wird, außer in extremen Fällen von längeren Stromausfällen. Die Fabrik kann sogar über eine eigene Stromleitung vom Hauptstromnetz verfügen, um eine kontinuierliche Versorgung mit elektrischer Energie zu gewährleisten, was auch eine gewisse Immunität gegen Stromausfälle im übrigen Netz bieten kann.

Viele kleine oder unkritische IoT-Knotenpunkte nutzen den Strom aus demselben Stromnetz, das auch die Haushalte in der Gegend nutzen, ohne teure Batterie-Backup-Systeme. Je nach Auslegung des Netzwerks kann ein Stromausfall oder ein kurzzeitiger Stromausfall Systeme zurücksetzen, Maschinen herunterfahren und zu Daten- und Leistungsverlusten führen.

Es gibt mehrere Optionen, um diesen Datenverlust zu verhindern. Notstromgeneratoren, die mit Benzin oder Erdgas betrieben werden, können über einen längeren Zeitraum Strom liefern, sind jedoch teuer in Bezug auf Material und Installation. Auch Backup-Generatoren müssen regelmäßig gewartet und getestet werden. Diese zusätzlichen Kosten und Arbeitskräfte können schnell einen Punkt erreichen, an dem das IoT-Netzwerk nicht mehr kosteneffizient ist, so dass es für seinen ursprünglichen Zweck nicht mehr praktikabel ist.

Eine weitere Option ist eine Batterie-Backup-Einheit. Diese verwenden Blei-Säure-Batterien und stellen eine zuverlässige Möglichkeit dar, für kurze Zeiträume eine Notstromversorgung zu gewährleisten. Diese erfordern jedoch regelmäßige Inspektionen und Tests. Darüber hinaus haben Blei-Säure-Batterien eine begrenzte Lebensdauer und müssen daher regelmäßig ersetzt werden, was die Kosten und den Arbeitsaufwand erhöht. Um die Wartung weiter zu erschweren, versagen Blei-Säure-Batterien in Batterie-Backup-Einheiten manchmal nicht vorhersehbar und können kurz nach ihrer Aktivierung während eines Stromausfalls ausfallen.

Sowohl Backup-Generatoren als auch Batterie-Backup-Einheiten sind sperrig und benötigen zusätzlichen Platz. Für kompakte IoT-Netzwerke kann es unpraktisch oder unmöglich sein, diese Lösungen zu implementieren.

Eine gängige Option ist die Installation einer kleinen Backup-Batterie auf dem IoT-Knoten. Dies ist eine kostengünstige Option im Vergleich zu Generatoren und Batterie-Backup-Einheiten. Eine Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ion-Batterie) nimmt wenig Platz ein und erfordert nur begrenzte Wartung. Li-Ionen-Batterien haben jedoch eine begrenzte Lebensdauer - oft nur 500 Lade-/Entladezyklen - und müssen daher regelmäßig ausgetauscht werden. Li-Ionen-Batterien haben auch eine sehr begrenzte Betriebstemperatur. Frosttemperaturen verringern die Kapazität einer Li-Ionen-Batterie und führen zu dauerhaften Schäden, während sehr heiße Temperaturen die Batterie allmählich beschädigen und zu thermischem Durchbrennen führen können.

Stattdessen ist ein einfacher und kostengünstiger Weg, während eines Spannungsabfalls oder eines kurzzeitigen Stromausfalls vorübergehend Strom zu liefern, der Einbau eines Superkondensators in den IoT-Knoten.

Eigenschaften und Fähigkeiten von Superkondensatoren

Superkondensatoren sind polarisierte Elektrolytkondensatoren mit einer Nennleistung von 1 F oder mehr. Als Kondensatoren können sie in Sekundenschnelle geladen und entladen werden, so dass sie wie eine kurzzeitige wiederaufladbare Batterie für IoT-Knoten fungieren können. Bei einer Konstantstromentladung fällt die Spannung an den Anschlüssen des Superkondensators linear mit der Zeit ab.

Superkondensatoren haben praktisch unbegrenzte Lebensdauern von über einer Million Zyklen, so dass sie ständig geladen und entladen werden können, ohne dass sich dies auf die Kapazität oder Lebensdauer auswirkt. Im Gegensatz zu chemischen Batterien hat der Ladezyklus auf einem Superkondensator nur minimale Auswirkungen auf das Dielektrikum oder die Elektroden des Kondensators. Superkondensatoren sind relativ unempfindlich gegen Hitze und Kälte und können auch bei extremen Temperaturen, die einen Li-Ionen-Akku beschädigen würden, sicher betrieben werden.

Das Aufladen eines Superkondensators ist einfach und erfordert keine ausgeklügelte Schaltung zur Aufrechterhaltung des Ladezustands, da Kondensatoren nicht überladen werden können. Das Anlegen einer Sperrspannung an die polarisierten Anschlüsse oder das Anlegen einer Spannung an einen Superkondensator, die höher als das Nennmaximum ist, kann jedoch dessen Lebensdauer verkürzen.

Die Auswahl eines Superkondensators ist eine Reihe von Kompromissen. Natürlich gilt: Je größer die Kapazität, desto länger die Energieversorgung, wenn alle anderen Bedingungen gleich bleiben. Diese Kapazitätssteigerung ist jedoch nicht nur mit höheren Kosten verbunden, sondern auch mit einer erheblichen Größenzunahme: Superkondensatoren sind sperrige Bauelemente, und Länge und Durchmesser sind bei der Leiterplattenanordnung zu berücksichtigen, insbesondere wenn später Platz für einen größeren Superkondensator geschaffen werden muss.

Die Vergrößerung der Leiterplatte kann für einige Anwendungen inakzeptabel sein und die Kapazität des Superkondensators begrenzen. Ein größerer Superkondensator kann auch den Luftstrom um den IoT-Knoten behindern, was die Wärmeableitung behindern kann. All dies sind wichtige Überlegungen, wenn man einen Superkondensator für den Schutz vor Spannungsabfall oder Stromausfall einplant.

Superkondensator-Entladezeit

Gleichung 1 kann zur Berechnung der geschätzten Entladungszeit eines Superkondensators verwendet werden, was eine gute Abschätzung der Zeitdauer liefert, mit der der Superkondensator im Falle eines Leistungsverlustes eine Schaltung betreiben kann.

 Gleichung 1

Dabei gilt:

t_Sekunden = Zeit in Sekunden, die der Superkondensator ausreichend Leistung an die Schaltung liefern kann

C_Farad = Kapazität in Farad

V_max = Die Spannung über dem Kondensator zur Anfangszeit der Entladung

V_min = Die Mindestspannung, auf die sich der Kondensator entladen darf, bevor sie nicht mehr ausreicht, um die Schaltung zu versorgen.

I_max = Die maximale (ungünstigste) Stromaufnahme der Schaltung in Ampere

Wie alle Kondensatoren haben Superkondensatoren einen äquivalenten Serienwiderstand (ESR). Der ESR variiert jedoch je nach Temperatur, Kondensatorspannung und Stromaufnahme. Bei Kondensatorwerten über einem Farad beträgt der ESR weniger als 10 Milliohm (mΩ), wodurch der Einfluss des ESR auf die Entladezeiten minimal ist.

Für einen effektiven Einsatz beim Schutz vor Spannungsabfall muss der Ingenieur einen Superkondensator auswählen, der die Gleichung 1 für die gegebene Anwendung erfüllen kann. Entwickler sollten ihre Systeme auch unter simulierten Spannungsabfall- und Leistungsverlustbedingungen testen, um den tatsächlichen Betrieb mit ausgewählten Platinenkomponenten zu beobachten. Da der Kondensator anfangs möglicherweise auf eine Spannung aufgeladen wird, die höher als die erforderliche Betriebsspannung der Schaltung ist, wird ein LDO-Regler (LDO, Low DropOut, niedriger Spannungseinbruch) empfohlen, um die Kondensatorausgangsspannung zu steuern.

Einfacher Schutz vor Spannungseinbruch und Stromausfall

Für einen einfachen Schutz vor Spannungsabfall bei einem nur wenige Sekunden andauernden Leistungsabfall in der Stromleitung oder für einen Leistungsabfall-Schutz, der weniger als eine Minute dauert, können kleinere Superkondensatoren kleine IoT-Knoten in Betrieb halten. Zum Beispiel ist der Superkondensator SCMR22L105SRBB0 der AVX Corporation mit 1,0 F nur 8 Millimeter (mm) dick und 22 mm breit (Abbildung 1). Er ist für raue Umgebungen geeignet und toleriert eine Betriebstemperatur von -40 °C bis +65 °C, Temperaturen, die für keinen Li-Ionen-Akku geeignet sind. Radiale Leitungen für vertikale Montage helfen, Platz auf der Leiterplatte zu sparen.

Abbildung 1: Der SCMR22L105SRBB0 ist ein radial bedrahteter Superkondensator mit den Abmessungen 8 mm x 22 mm. (Bildquelle: AVX Corporation)

Der ESR des SCMR22L105SRBB0 beträgt nur 840 mΩ, was einen sehr geringen Leistungsverlust bei der Entladung gewährleistet. Seine maximale Ladespannung beträgt 9 Volt.

Mit Gleichung 1 kann die Entladungszeit für einen einfachen IoT-Knoten berechnet werden, der 80 Milliampere (mA) zieht. Bei einem 3,3-Volt-System mit einem herkömmlichen Wechselstromadapter, der 9 Volt liefert, um den Kondensator auf die maximale Spannung aufzuladen, und mit einem idealen LDO-Regler (Low-Dropout-Regler) könnte dieser 1,0-F-Kondensator unter optimalen Bedingungen 71 Sekunden lang Strom liefern. Der SCMR22L105SRBB0 hat eine Kapazitätstoleranz von ±30% über Nenntemperatur und Nennspannung, so dass er im ungünstigsten Fall mit einer Kapazität von 0,70 F für geschätzte 50 Sekunden 80 mA liefern kann. Dies hängt von den Fertigungstoleranzen der einzelnen Kondensatoren ab, so dass es am besten ist, für den ungünstigsten Fall zu entwerfen.

Mit einer ungünstigsten Stromversorgung von 50 Sekunden für dieses Beispiel ist der SCMR22L105SRBB0 mehr als ausreichend, um Leistungsabfälle in Situationen von Spannungseinbrüchen zu bewältigen.

Bei der Auslegung eines Superkondensators sollten die Leitungen wie Leiterbahnen zur Energieversorgung verlegt werden, um elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu minimieren. Darüber hinaus sollte die Isolierhülle des Superkondensators nicht mit der Leiterplatte oder einem anderen Bauteil in Kontakt kommen. Wenn die Hülle durch extreme Löttemperaturen oder äußere Kräfte beschädigt wird, kann die Metalldose des Superkondensators kurzschließen, was zu einer Fehlfunktion der Schaltung führt.

Für Anwendungen mit höherer Kapazität stellt Illinois Capacitor den Superkondensator DSF407Q3R0 mit 400 F bei einer Nennspannung von 3,0 Volt her (Abbildung 2). Mit einem Durchmesser von 35 mm und einer Länge von 60 mm ist er deutlich größer als die zuvor erwähnte Komponente. Da das Verpolen bei einem 400-F-Superkondensator die Komponente zerstören kann, verfügt der DSF407Q3R0 über zwei verbindungslose Keilpins, um Fehler bei der Montage zu vermeiden.

Abbildung 2: Der 400 F Superkondensator von Illinois Capacitor benötigt bei einem Durchmesser von 35 mm und einer Länge von 60 mm zusätzliche Platinenfläche. Er hat zwei Keilzapfen, um eine Montage mit umgekehrter Polarität (Verpolung) zu verhindern. (Image source: Illinois Capacitor)

Während die 3-Volt-Nennspannung im Zusammenhang mit Gleichung 1 nicht beeindruckend erscheinen mag, bieten die 400 F viel Kapazität. Die Kapazitätstoleranz beträgt ±30%, was zu einem ungünstigsten Wert von 280 F führt. Bei einem 2,7-Volt-System, das gemäß Gleichung 1 etwa 350 mA zieht, führt das Aufladen des Kondensators auf seine 3,0-Volt-Einstufung zu 343 Sekunden typischer Standby-Leistung bei 400 F und schlimmstenfalls 240 Sekunden bei 280 F. Dies setzt einen idealen LDO voraus, daher ist es wichtig, Schaltungstests durchzuführen, um zu sehen, wie sich der Superkondensator unter simuliertem Spannungsabfall und Leistungsverlusten verhält.

Ein 400-F-Kondensator kann heiß werden, daher ist es wichtig, für einen angemessenen Abstand zu anderen Komponenten zu sorgen. Dieser Kondensator hat an der Oberseite eine Entlüftung, so dass über ihm ein ausreichender Abstand vorhanden sein muss, damit die Wärme abgeführt werden kann.

Fazit

Superkondensatoren können zur Bereitstellung von Reserveleistung während eines Spannungsabfalls und bei kurzfristigen Stromausfällen in IoT- und IIoT-Knoten verwendet werden. Sie haben erhebliche Vorteile gegenüber Li-Ionen-Batterien, darunter praktisch unbegrenzte Lade-/Entladezyklen, einen ausgezeichneten Hochspannungsbetrieb sowie hohe Effizienz und Zuverlässigkeit. Die ordnungsgemäße Verwendung von Superkondensatoren in IoT- und IIoT-Knoten, die von privaten Wechselstromnetzen gespeist werden, kann die Wartungs- und Systemkosten senken und gleichzeitig die Leistung des gesamten Netzwerks verbessern.