Eine Ladestation für den Supercap

Beim Laden von Supercaps muss sorgfältig jede Überschreitung der maximal zulässigen Spannung vermieden werden. Deshalb wird hier eine einfache Ladestation für eine stabilisierte Festspannung von 2,2 V vorgestellt. Die Schaltung mit einem einstellbaren Spannungsregler LM317T eignet sich als Adapter für ein normales Steckernetzgerät. Supercaps dürfen beliebig lange angeschlossen bleiben, ein Überladen ist nicht möglich. Zugleich behalten die Kondensatoren ihren optimalen Ladezustand und verbessern durch die Lagerung im geladenen Zustand ihre Isolationseigenschaften.

Der LM317T ist ein einstellbarer Spannungsregler im TO220-Gehäuse. Der Regelbereich umfasst 1,2 V bis 37 V bei einem maximalen Ausgangsstrom von 1,5 A. Zwischen dem Eingang ADJ und dem Ausgangspin Vout liegt immer eine konstante Spannung von 1,25 V. Durch einen äußeren Spannungsteiler wird die Ausgangsspannung eingestellt. Der Festwiderstand zwischen Vout und ADJ soll im Interesse eines ausreichenden Querstroms immer 240 Ohm besitzen. Für die Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom einstellbaren Widerstand gilt dann:

Für einen Widerstand R von 180 Ohm ergibt sich eine Ausgangsspannung von 2,2 V. Der Regler ist bei ausreichender Kühlung bis 1,5 A belastbar. Er enthält eine interne Strombegrenzung auf ca. 2,2 A und einen Übertemperaturschutz, der den Ausgangsstrom automatisch reduziert, sobald die Chiptemperatur zu hohe Werte annimmt.. An einem einfachen Stechernetzgerät mit z.B. 6V/300mA ergibt sich eine Strombegrenzung bei ca. 0,5 A. Da der Spitzen-Ladestrom schnell abklingt, kommt man im Normalfall ohne Kühlkörper aus. Nur falls die Schaltung eingesetzt werden soll, um mehrere Supercaps in schneller Folge zu laden, sollte in ausreichend großer Kühlkörper verwendet werden.

Für einige Anwendungen möchte man möglichst viel Energie speichern. So lassen sich Supercaps z.B. als Energiespeicher in Saalflugmodellen einsetzen. Die in einem Kondensator gespeicherte elektrische Energie beträgt E = 1/2U²C. Bei einem Supercap mit 10 F und 2,3 V ergibt sich eine Energie von 26 Joule, ein Kondensator mit 20 F und 2,5 V speichert bereits 63 Joule. Ein kleines Modellflugzeug mit einer Masse von 100 Gramm kann damit theoretisch eine Höhe von über 50 Metern erklimmen, wobei allerdings in der Praxis gewisse Verluste auftreten. Da die Energie mit dem Quadrat der Spannung steigt, sollte man möglichst nahe an die erlaubte Spannungsgrenze gehen.

Durch Anpassung des Widerstands R kann auch eine andere Spannung eingestellt werden. Mit R = 240 Ohm ergibt sich eine Ausgangsspannung von 2,5 V. Vor dem Anschluss eines Supercap sollte man die Ausgangsspannung messen, um Fehler zu vermeiden.

Hinweis von Bastl Wastl:
Mir ist ein kleines Problem bei der Ladeschaltung aufgefallen. Es wurde zur Ladung ein LM317 verwendet, der eine interne Strombegrenzung bei ca. 2A hat. (Bei manchen Herstellen fehlt diese Begrenzung.) Da sich ein Kondensator im ersten Moment des Ladens wie ein Kurzschluss verhält, wird diese Strombegrenzung mit aller Warscheinlichkeit erreicht. Da laut Datenblatt die meisten dieser Hochkapazitivkondensatoren aber nur etwas mehr als 1A vertragen dürfte das zu spät sein. Um nicht stabilisierte/geschützte Netzteile und den Kondensator zu schonen sollte ihre Ladeschaltung auch eine eigene Strombegrenzung besitzen.

Hinweis von Gerhard Schreiber:
Unter ungünstigen Bedingungen geht der LM317T kaputt. Das ist leider bei mir passiert. Bei der Ursachenforschung habe ich im Datenblatt des LM317 als Fußnote gesehen, dass die Ausgangsspannung niemals größer wie die Eingangsspannung sein darf - klingt unkritisch, NUR wenn ein Supercap mit 20F angeschlossen bleibt, entläd sich dieser (logischerweise) langsamer wie auf der Eingangsseite der 2200uF ! Damit wird die Bedingung zum Suizid leider erfüllt. Abhilfe: Entladediode einbauen. Katode am Eingang und Anode am Ausgang - so im Datenblatt empfohlen. Damit lädt der Supercap sozusagen den Eingangskondensator nach, so dass die Eingangsspannung max. 0,6V über der Ausgangsspannung liegt. Schlage vor die Schaltung derart zu verbessen oder zumindest darauf hinweisen, dass der Microcap vorm Abschalten entfernt wird (was sowieso meistens gemacht wird - aber eben nicht immer ...).