Supercaps in der Schließtechnik

Supercaps machen digitale Schließanlagen smarter

Zentral gesteuerte elektronische Schließsysteme sind in gewerblichen Gebäuden allgegen­wärtig. Solche Systeme sind häufig in ein Netzwerk integriert, das sowohl die Strom­versor­gung für die Schloss­mecha­nismen als auch die Steuer­signale liefert. Viele Hoch­sicherheits­einrich­tungen erfordern ein Batterie-Backup, oder die Möglich­keit, dass das Schloss bei einem Strom­ausfall auto­matisch in einen vorde­finierten Zustand einnimmt. Diese Anfor­derungen stellen beson­dere Heraus­forderungen an die Energie­ver­sorgung und dessen Steuerung dar. Supercap-Hersteller wie CAP-XX haben sich darauf spezialisiert.

Impulsstrom für den Schließmechanismus

Elektronische Schloss­mechanismen sind auf einen elektro­mecha­nischen Aktuator - als Magnet oder Getriebe­motor - angewiesen. In den meisten Geschäfts­gebäuden werden die Schlösser fest mit einem 12- oder 24-Volt-Stromnetz verdrahtet. Ebenfalls nehmen die meisten E-Schlösser bei einem Strom­ausfall auto­matisch einen definier­ten Zustand ein (verriegelt oder unver­riegelt). Sollte dieser Prozess im Einzel­fall nicht wün­schens­wert sein, werden Bereiche der Anlage unter­schiedlich gesteuert (offen oder geschlossen). Häufig wird eine Batterie­pufferung eingesetzt, damit das Schloss auch bei einem Strom­ausfall noch funktioniert.

Da der Platz im Schloss­gehäuse begrenzt ist, ist die Wahl der Batterie ein Kom­promiss zwischen Energie und Leistung. Sie muss die für den Betrieb des E-Schlosses über einen bestimmten Zeit­raum erfor­derliche Mindest­energie aufweisen, aber auch einen hohen Entladestrom, um den Impuls­strom für den Antrieb des Aktuators zu liefern. Dieser Faktor begrenzt die maximale Energiedichte der Batterie.

Superkondensatoren verfügen wie her­kömmliche Konden­satoren über eine physi­kalische Ladungs­speicherung. Ihre Leistung ist nicht, wie bei einer Batterie, durch die Geschwin­digkeit einer chemi­schen Reaktion begrenzt. Sie können das 100- bis 1000-fache der Leistung einer Batterie liefern und haben einen äquiva­lenten Serien­wider­stand (ESR) im Bereich von 10 bis 100 mΩ.

Der Einsatz von Superkonden­satoren zur Bewältigung hoher Spitzen­lasten kann die Batterie erheblich entlasten. Die müssen dann nur mehr für den Durch­schnitts­strom ausgelegt werden und können damit entsprechend kleiner ausfallen.

Was Supercaps in der Schließtechnik, beispiels­weise vom Hersteller CAP-XX, in Verbin­dung mit einer Batterie interessant macht, ist ihr sehr niedriger Leck­strom (IL). Dieser liegt im Bereich von ~1 - 2µA/F. Der Super­konden­sator vom Typ DMF 470mF (45mΩ ESR - siehe Datenblatt) hat zum Beispiel einen typischen IL von ~2µA. Der Leckstrom wird kontinu­ierlich aus der Batterie ent­nommen und kann daher einen erheb­lichen Energie­verlust darstellen. Mit nur 2µA IL zieht ein DMF470mF nur ~17mAh/Jahr - weniger als die Selbst­entladungsrate der meisten Batterien.

Strombegrenzung zum Schutz der Batterie

Aufgrund seines sehr niedrigen ESR kann ein entla­dener Super­kondensator einen hohen Einschalt­strom ziehen, insbesondere beim ersten Aufladen beim Zustand 0 V. In einigen Fällen kann der Innen­wider­stand der Batterie aus­reichen, um den Ein­schalt­strom auf ein sicheres Niveau zu begrenzen. Sollte jedoch eine Einschalt­strom­begrenzung zum Schutz der Batterie erfor­derlich sein, muss eine Strombegrenzung für Super­konden­satoren einbezogen werden. Der von der Batterie gelieferte Durch­schnitts­strom muss trotzdem immer stark genug sein, um den Super­kondensator während der Min­destzeit zwischen den Betäti­gungen vollständig aufzuladen.

Supercaps ermöglichen programmierbaren Fail-Safe-Zustand

Alle seriösen elektronischen Schloss- oder Türöffner­systeme garan­tieren einen definierten Fail-Safe-Zustand nach einem Strom­ausfall. Diese Funktion wird in der Regel durch eine werkseitig einge­baute mecha­nische Feder realisiert, die den sicheren Zustand als offen oder verriegelt einstellt. Dadurch kann der sichere Zustand des Schlosses nicht vor Ort pro­grammiert werden, was die Flexibilität einschränkt. Anstelle der mecha­nischen Energie in einer Feder, kann die in einem Super­konden­sator gespei­cherte elektrische Energie das Schloss bei einem Strom­ausfall in den sicheren Zustand versetzen. Dies kann vor Ort pro­grammiert werden, z. B. mit einem Link, der von einem Mikro­controller gelesen wird.

Supercap für die Schließtechnik richtig dimensionieren

Supercaps, die aufgrund ihres niedrigen ESR eine hohe Leistung liefern können, haben einen hohen C-Wert, um ausreichend Energie und Leistung für den Betrieb des Schlosses zu liefern. Bei der Auswahl des Super­konden­sators sind darüber hinaus folgende Faktoren zu berücksichtigen:

1. Wie viel Energie wird benötigt, damit der Aktor die Aktion beenden kann?
2. Wie hoch ist die Spitzen- und Durchschnitts­leistung?
3. Wie hoch ist die Anfangsspannung, auf die der Super­konden­sator aufgeladen wird?
4. Wie hoch ist die Mindest­spannung, die das Schließ­system benötigt?
5. Der Spannungsabfall aufgrund des äquiva­lenten Serien­widerstands (ESR) für den Superkon­densator=ILOADxESR.
   Viele Ingenieure wählen C = 2E/(V2init - V2 final), wobei E die für die Betätigung des Schlosses erfor­derliche Energie und Vinit und Vfinal die Anfangs- und End­spannungen des Superkon­densators sind. Bei dieser Berechnung wird implizit davon ausgegangen, dass der ESR des Superkon­densators = 0 ist, was zu einer Unter­dimensio­nierung des Super­kondensators führt.
6. Der Frequenzgang des Super­kondensators - wenn die Aktivierung der Sperre kurz ist (<~ 100 ms), wird die effektive Kapazität für die Impuls­breite der Aktivierung verwendet. In diesem Fall ist bei konstantem Strom der Spannungs­abfall = ILOAD x ESR + ILOADx PW/Ceff(PW), wobei Ceff (PW) die effektive Kapazität für die Pulsbreite PW ist.
7. Wie viel Platz haben Sie? Viele Anwen­dungen erfordern einen schlanken, unauffälligen und eleganten Form­faktor. Die dünnen prismatischen Superkondensatoren von CAP-XX erfüllen diese Anforderungen. Wo kein Platzmangel besteht, können die kostengünstigeren zylindrischen CAP-XX-Zellen verwendet werden.

Abhängig von der Ausgangsspannung, auf die der Superkon­densator geladen wird, bietet CAPCOMP einen ein­zelligen Super­kondensator oder ein zwei­zelliges Modul an (Hersteller: CAP-XX). Wenn Sie eine 3V-Batterie verwenden, bieten sich die zylin­drische 3V-Zellen an (z.B. GY13R0 series). In Kürze werden auch prisma­tische 3V-Zellen verfügbar sein. Eine weitere Alter­native ist die Verwen­dung eines strom­sparenden LDOs, wie z.B. eines TPS78227, der 500nA aufnimmt, um eine einzelne Zelle auf 2,7V zu laden. Für eine höhere Versorgungs­spannung (z.B. 5V Batterie | z.B. 3.6V Lithium-Thionyl-Chlorid) muss ein Doppel­zellen-Superkon­densator verwendet werden: z.B. DMF Low ESR High Power, DMT Long Life High Temp oder DMH Ultra Thin. Dies erfordert einen Zellenausgleich.

CAPCOMP unterstützt Sie bei der Entwicklung Ihrer Superkondensatorschaltung.

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