Die knifflige Aufgabe, einen Akku in einem IoT-Gerät zu emulieren

Falls Sie zu denjenigen gehören, die sich schon einmal mit der Emulation eines Akkus in einem IoT-Gerät abgemüht haben: Wir kennen das Problem. – Eine Anordnung aufzubauen, die so realistisch wie das fertige Produkt ist – mit dem Akku in der Nähe der Elektronik – , stellt eine ziemliche Herausforderung dar. Heute möchten wir Ihnen einige wertvolle Tipps auf dem Wege dorthin geben.

Zuerst eine kurze Zusammenfassung für eilige Leser:

• Je größer der Abstand, desto höher der Widerstand – denken Sie daran, dass der Akku innerhalb des Produkts sehr nahe an der Elektronik ist, während in einem Testaufbau wahrscheinlich längere Kabel verwendet werden, die diese enge Verbindung verhindern.
• Vorsicht bei hohem Widerstand – dieser kann fatal werden, z. B. wenn ein plötzlicher Stromstoß einen Spannungsabfall in den Leitungen bewirkt, der das Zurücksetzen des Systems auslöst.
• Tipp Nr. 1: Minimieren Sie den Widerstand durch den Einsatz von kurzen und dicken Kabeln.
• Tipp Nr. 2: Stellen Sie eine Reserve-Energiequelle bereit, indem Sie einen oder mehrere Kondensatoren direkt an die Spannungsversorgung des Geräts anschließen.
• Seien Sie sorgfältig bei der Auswahl des richtigen Kondensators (optimaler äquivalenter Serienwiderstand (ESR) + Größe des Kondensators).
• Überprüfen Sie Ihre Daten – Tipp Nr. 2 beeinflusst die Messungen.

Sind Sie jetzt interessiert und bereit, alles darüber zu lesen? Wunderbar! Legen wir los.

Je größer der Abstand, desto höher der Widerstand

In realen Produkten ist der Akku (fast) immer nahe an der Elektronik angeschlossen. Dieser Aufbau ist nicht zufällig – kurze Kabel sorgen für einen geringen Widerstand im Strompfad zwischen Akku und Last. Klingt das nicht vernünftig?

Wenn wir einen Akku simulieren, sind wird oft gezwungen, längere Kabel zu verwenden, die einen unerwünschten Widerstand einführen. Ein großes Problem? Das ist es tatsächlich! Ein Stromstoß erzeugt aufgrund des Widerstands der Kabel einen Spannungsabfall. Wenn dieser zu stark ist, könnte er die ordnungsgemäße Funktion der Elektronik beeinträchtigen.

Wodurch werden Stromstöße verursacht?

Wenn ein Gerät einige Zeit von einer Spannungsquelle getrennt ist, haben wir es mit einem Worst-Case-Szenario zu tun. Die Situation wird fatal, da die Kondensatoren auf der Platine leer sind und erneut mit Energie gefüllt werden müssen.

Während der ersten Nanosekunden eines plötzlichen Stromstoßes wirken sämtliche Entkopplungskondensatoren – bevor sie aufgeladen sind – wie ein Kurzschluss. Dies betrifft tatsächlich alle auf der Platine angebrachten Kondensatoren mit 100 nF und mehr. Diese Kondensatoren verursachen einen sehr hohen Einschaltstromstoß, der zu einem plötzlichen Spannungsabfall in allen zufällig auf dem Wege liegenden Widerstandskomponenten führt, z. B. in Kabeln, Steckverbindern, Leiterbahnen usw.

Denken Sie daran, den Strompfad auf Widerstände zu überprüfen.

Wie überprüfen Sie nun auf Widerstände? Manche Geräte haben eine Ladezustandsanzeige, die den Strom über einen mit dem Akku in Reihe geschalteten Widerstand misst. Lithium-Polymer- und Lithium-Ionen-Akkus sollten immer über eine Schutzschaltung verfügen. Wenn Ihr Aufbau über eine derartige Schaltung verfügt, befindet sich auch ein Widerstand im Strompfad. Denken Sie auch an die Stromrückführung. Alle Widerstände im Pfad zählen, auch Masseflächen.

Zwei einfache Tipps zur Vermeidung von Widerständen

Um die oben beschriebenen Probleme zu vermeiden, empfehlen wir bei einer Emulation eines Akkus in einem IoT-Gerät folgende Sicherheitsmaßnahmen:

1. Wählen Sie kurze und dicke Kabel, um den Widerstand in den Leitungen zwischen Akku-Emulator und Gerät zu minimieren (siehe Abbildung 1). Werfen Sie einen Blick auf diese praktische Drahtstärkentabelle.
2. Stellen Sie eine Reserve-Energiequelle bereit, indem Sie einen oder mehrere Kondensatoren direkt an den Spannungseingang des Geräts anschließen.

Abbildung 1: Tipp Nr. 1: Minimieren Sie den Widerstand durch den Einsatz von kurzen und dicken Kabeln. (Bildquelle: Qoitech)

Der Anschluss von Kondensatoren stellt eine Ladungsreserve dar, die spontane Ladeanforderungen der Schaltungen lokal bedient. Mit anderen Worten: Die Ladung muss nicht durch den Widerstand der Stromleitungen fließen.

Sehen wir uns ein Beispiel an: Ein Mobiltelefon kann beim Einschalten durchaus einen kurzen Impuls von 4 A verbrauchen. In diesem Fall ist es wichtig, für eine große Energiereserve mit geringem Widerstand nahe am Akkuanschluss zu sorgen (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Denken Sie an eine große Energiereserve nahe am Akkuanschluss. (Bildquelle: Qoitech)

Wahl der richtigen Kondensatoren

Bevor Sie loslegen, möchten wir noch ein paar Worte zur Wahl der richtigen Kondensatoren für das Gerät verlieren. Stellen Sie sich unbedingt folgende Fragen:

1. Welches ist der optimale äquivalente Serienwiderstand (ESR)?
   Der richtige ESR des Kondensators ist ebenso wie die richtige Anzahl von Mikrofarad entscheidend. Für Anwendungen mit kurzen und starken Stromstößen sollte ein niedriger ESR verwendet werden. Wenn Sie einen noch niedrigeren ESR benötigen, können mehrere parallel geschaltete Kondensatoren verwendet werden. Werfen Sie einen Blick auf diese Tabelle mit typischen ESR-Werten von Kondensatoren.
2. Welche ist die optimale Kondensatorgröße?
   Dies ist, ehrlich gesagt, oft eine Sache von Versuch und Irrtum. Wählen Sie einen Kondensator, der groß genug ist, um einen ordnungsgemäßen Start des Geräts zu ermöglichen. Aber er darf nicht zu groß sein, da der Kondensator als Tiefpass fungiert. Damit ändert er die Anstiegszeit der Stromimpulse und beeinflusst so Ihre Messungen (lesen Sie weiter, wenn Sie mehr erfahren möchten). Wählen Sie auch unbedingt einen Kondensator mit minimaler Verlustleistung. Die Größe der Reserve hängt vom Umfang der benötigten Energieversorgung (Spitzenstrom und Zeit) und dem tolerierbaren Spannungsabfall ab, bei dem sich das System nicht zurücksetzt.

Einige Bemerkungen zu Messungen

Ein direkt an der Spannungsversorgung des Geräts angebrachter Kondensator beeinflusst die Messungen. Der Grund ist, dass sich der Kondensator mit Energie füllen muss, was einige Zeit dauert. Wenn Sie den Tipp Nr. 2 verwenden, verlängern sich die Anstiegs- und Abfallzeiten der Stromimpulse. Das Ergebnis entspricht einem zwischen Ihrem Akkumessaufbau und dem Gerät in Reihe geschalteten Tiefpass. Seien Sie aber unbesorgt – wenn Sie die richtigen Kondensatoren verwenden, ist der geringe Leckstrom des Kondensators der einzige Messfehler.

Möchten Sie noch tiefer in die Stromversorgung von IoT-Geräten einsteigen?

Werfen Sie einen Blick auf diesen Artikel, in dem ausgeführt wird, wie sich die Akkuleistung mithilfe einer effizienten Energieverwaltung optimieren lässt. Falls Sie es noch nicht getan haben, sehen Sie sich auch die Otii-Batterie-Toolbox von Qoitech an! Dieses Tool macht aus Ihrem Otii Standard-Gleichstromnetzteil einen umfassenden Akku-Profiler- und -Emulator und stellt damit eine realistische Quelle für Ihre praxisnahen Projekte dar.