Im Zuge der Entwicklung von akkubetriebenen Geräten müssen die Effekte von verschiedenen Ladezuständen des Akkus auf die Funktionalität des Gerätes getestet werden. Um diesen Prozess der Inbetriebnahme zu beschleunigen wurde der Akkusimulator entwickelt, welcher einen Akku mit sehr hoher Strombelastbarkeit (+/-10A), und sehr geringer Kapazität (7mAh) simuliert. Dies gibt die Möglichkeit einen Akku in allen notwendigen Zuständen und Ladezyklen zu simulieren, ohne einen echten Akku laden und entladen zu müssen, was je nach Konfiguration mehrere Stunden dauern kann.
Aufbau des Akkusimulators
Schaltplan des Akkusimulators V1.1
Der Simulator besteht aus Superkondensatoren, und ein paar Zusatzbauteilen, um den fließenden Strom und die Spannung anzuzeigen. Die beiden Superkondensatoren sind in Reihe geschaltet, um eine Spannungsfestigkeit von ca. 5V zu erreichen. (Die maximale Spannung je Kondensatoren beträgt 2,7V)
Damit die Kondensatoren sich nicht zu ungleich aufladen befindet sich eine „fast ideale“ Zenerdiode parallel zu jedem Kondensatoren, um die maximal möglich Spannung auf ca. 2,3V zu begrenzen. Dazu dienen jeweils eine LED als Zenerdiode und ein Transistor um die Strom-Spannungs-Kennlinie steiler zu machen, sowie die Stromfestigkeit zu erhöhen. Dadurch wird garantiert, dass die Kondensatoren nicht überladen. Um bei einer tiefen Entladung das Umpolen einer der Kondensatoren zu verhindern, ist jeweils eine Schottky-Diode antiparallel zu den Kondensatoren verbaut. Diese leitet im Fall von negativer Ladung.
Die Spannungsanzeige wird über ein günstiges 3-stelliges 7 Segment LED Anzeigemodul realisiert. Ein kleiner Step-Up Wandler sorgt bei Ladespannung von 0,9-4,6V für die Stromversorgung der Anzeige (5V) und der Messeingang geht direkt an die Kondensator-Spannung. Ground ist für Stromversorgung und zum Messen identisch.
Der Stromverbrauch der Schaltung beträgt bei 1V ca. 50mA und bei 4V ca. 15mA.
Eine 4/8A Polyfuse sorgt bei Kurzschluss für eine Unterbrechung des Stromkreises, da die Kondensatoren dank ihres geringen Innenwiderstands durchaus in der Lage sind Ströme von über 100A abzugeben. Nominal liegt der empfohlene Nennstrom (Laden und Entladen) bei den verwendeten 50F Supercaps bei 11A.
Die Stromanzeige wurde bei unserem Prototypen mit einem Drehspulinstrument realisiert, das +/-3A anzeigen kann. Das ist bei Strömen von 0,5A bis 3A zwar sinnvoll, aber bei kleinen Strömen im mA Bereich nicht brauchbar. Da wäre ein hochauflösender Stromsensor oder zumindest ein Messschunt mit hochauflösender Spannungsanzeige besser geeignet, um einen weiten Strombereich abzudecken.
Benutzung des Akkusimulators
Der Akkusimulator wird einfach über die beiden 4mm Buchsen anstelle eines echten Akkus an die zu testende Schaltung angeschlossen. (Gegebenenfalls vorher mit einem Labornetzteil auf die gewünschte Spannung mit max. 5A laden) Ein Tester verbindet + vom Kondensatorpack mit dem Step Up und dem Messeingang für die LED Anzeige. So wird die Spannung angezeigt, solange der Taster gedrückt wird. Ein weiterer Taster dient dazu die Kondensatoren durch einen verbauten Lastwiderstand (3,3R -> ca. 1,2A Entladestrom) zu entladen, solange die Taste gedrückt wird. Das ist besonders dann praktisch, wenn man ein Ereignis, dass durch einen leer werdenden Akku getriggert wird abwarten möchte, ohne dass eine nennenswerte externe Last vorhanden ist. (Z.B. das Wiedereinsetzen des Ladens, Unterspannungsereignisse etc.)
Das nachfolgende Bild zeigt unseren ersten Prototypen des Akkusimulators, den wir sehr gerne und oft nutzen bei unseren Produktentwicklungen.
Unser erster Prototyp des Akkusimulators