Stromversorgung

Stromversorgung

Ein großes Thema bei Elekroniken im Cachebau ist die Stromversorgung. Dieser Artikel beschreibt in erster Linie die eigenständige dauerhafte Stromversorgung für Elektroniken und nicht die Stages, die mit mitgebrachten Batterien versorgt werden. Das Ziel sollte immer sein, dass man so wenig Wartungsaufwand wie möglich mit seinen Elektroniken hat. Neben einer stromsparenden Elektronik, spielt auch die Wahl der richtigen Stromversorgung eine große Rolle. Viele Cache-Konstrukteure verbauen ausschließlich Akkus und haben vielleicht sogar ein einheitliches Akkusystem. Andere belassen es bei normalen Alkaline Batterien, wie AA, AAA oder 9V-Blöcken. Da alle Systeme ihre Vor- und Nachteile haben, finden wir die folgende Vorgehensweise am sinnvollsten:

1. Richtige Spannung wählen

Als erstes muss man wissen, welche Spannung bzw. welche Spannungen in der Elektronik gebraucht werden. Wir empfehlen schon bei der Planung oder Auswahl der Elektronik eine möglichst niedrige Spannung zu wählen, falls möglich. Oftmals werden sogar mehrere verschiedene Spannungen gebraucht, was natürlich in der Planung berücksichtigt werden muss. Hier mal die Spannungsschritte der gängigen Batterien und Akkus:

Alkaline Batterien = 1,5V
Lithium-Mangandioxid-Batterien = 3,0V (siehe Beitrag: Spezialbatterien)
Lithium-Thionylchlorid-Batterien = 3,6V (siehe Beitrag: Spezialbatterien)
Nickel-Metallhydrid-Akkus = 1,2V 
Lithium-Ionen-Akkus = 3,6V
Blei Akkus = 6V bzw. 12V

Muss man also z.B. ein Soundmodul versorgen, welches mit 4,5V bis 5V funktioniert, kann man entweder 3x Alkaline oder 4x Ni-MH Akkus verwenden.
Braucht man z.B. 3V für eine Funkelektronik und 4,5V für Soundmodul, so bleibt eigentlich nur noch die Variante mit 3x Alkaline mit einem zusätzlichen 3V-Abgriff übrig.

Wenn es nicht möglich ist, die geforderte Spannung bereitzustellen, kann man natürlich auch DC/DC-Wandler oder Längsregler verwenden. Allerdings steigt dann der Standby-Stromverbrauch massiv an und die Akku- oder Batterielaufzeit wird erheblich verringert.

2. Richtige Bauform wählen

Je nach verfügbarem Platz, bietet es sich natürlich immer an, eine größere Batterie/Akku zu verwenden. Je größer die Batterie bzw. der Akku desto mehr Ladung bzw. Kapazität hat sie. Eine große Fehlerquelle sind hierbei die Batteriehalter – hierzu gibt es einen ergänzenden Beitrag Batteriehalter. Besteht die Möglichkeit, die Elektronik für Wartungszwecke mitzunehmen, so gibt es auch einige Akkutypen, die man fest verlöten kann. Hier wieder eine Übersicht der verschiedenen Typen:

Bauformen Verfügbar mit Lötfahne Verfügbar als Knopfzelle
Alkaline Batterien AA-Batterie, AAA-Batterie, C-Zelle, D-Zelle, 9V-Block Nein Ja
Ni-MH Akkus Gleiche Größen wie Alkaline, diverse Teilungen von Alkaline Batterien, wie z.b. 1/2 AA Ja Ja
Li-Ion Akkus z.B. 18650, 14500, 26650 Ja Ja
Blei Akkus diverse quaderförmige Größen mit Flachsteckeranschluss Ja Nein

Je nach Stromverbrauch und benötigter Leistung kann man natürlich auch Knopfzellen als Versorgung nehmen, siehe Beitrag Stromversorgung: Spezialbatterien. Man sollte aber bedenken, dass man bei Knopfzellen ein sehr viel schlechteres Preis/Leistungs-Verhältnis hat. Wir würden sie daher nur einsetzen, wenn man auf eine kompakte bzw. dünne Bauweise angewiesen ist.

3. Wartungsaufwand

Hat man etwas Spielraum im Spannungsbereich, stellt sich für viele die grundlegende Frage: Akku oder Batterie?

Im Folgenden mal ein kleines Rechenbeispiel mit einem 4,5V Alkaline AA-Batterieblock verglichen mit verschiedenen Akkus. Bei den Ni-MH Akkus gibt es wiederum zwei verschiedene Typen. Die einen habe eine höhere Kapazität, dafür aber auch eine hohe Selbstentladung. Die anderen haben weniger Kapazität und werden oft mit „geringer Selbstentladung“, „minimale Selbstentladung“ oder auch „LSD-Ni-MH“ betitelt. Im Vergleich also jeweils ein 4,8V AA Ni-MH Akkublock in den zwei Ausführungen und dazu noch ein klassischer 18650 3,6V Lithium-Ionen-Akku. Durchschnittlicher Stromverbrauch der Elektronik ist 0,2 mA.

Alkaline

Typische Kapazität 2100 mAh, Preis (Aldi) 0,20 €, Selbstentladung 6% pro Jahr
Stromverbrauch pro Tag = 0,2 mA * 24h = 4,8 mAh
Anzahl der Tage = 2100 mAh / 4,8 mAh = 438 Tage
Selbstentladung = 94% * 2100 mAh = 1974 mAh
Anzahl der Tage mit Selbstentladung = 1974 mAh / 4,8 mAh = 411 Tage = ca 13-14 Monate

Ni-MH (hohe Kapazität)

Typische Kapazität 2700 mAh (Emmerich), Preis 3,75 €, Selbstentladung 25% pro Monat
Stromverbrauch pro Tag = 4,8 mAh
Stromverbrauch pro Monat = 144 mAh
Restladung nach 4 Monaten = 2700 * 75%^(4) = 854 mAh
Restladung nach 4,5 Monaten = 2700 * 75%^(4,5) = 740 mAh
Restladung nach 5 Monaten = 2700 * 75%^(5) = 641 mAh
Stromverbrauch nach 5 Monaten = 720 mAh -> der Akku ist nach etwas mehr als 4,5 Monaten leer

Ni-MH (geringe Selbstentladung)

Typische Kapazität 1900 mAh (eneloop), Preis 3,75 €, Selbstentladung 20% pro Jahr
Restladung nach 10 Monaten = 1900 * 80%^(10/12) = 1578 mAh
Restladung nach 10,5 Monaten = 1900 * 80%^(10,5/12) = 1562 mAh
Restladung nach 11 Monaten = 1900 * 80%^(11/12) = 1548 mAh
Stromverbrauch nach 11 Monaten = 1584 mAh -> der Akku ist nach etwas mehr als 10,5 Monaten leer

Li-Ion

Typische Kapazität 3000 mAh (Sony), Preis 5,00 €, Selbstentladung 4% pro Monat
Restladung nach 12 Monaten = 3000 * 96%^(12) = 1838 mAh
Restladung nach 12,5 Monaten = 3000 * 96%^(12,5) = 1801 mAh
Restladung nach 13 Monaten = 3000 * 96%^(13) = 1765 mAh
Stromverbrauch nach 12,5 Monaten = 1800 mAh -> der Akku ist nach ca. 12,5 Monaten leer

 

Auswertung

Laufzeit Kosten pro Jahr Kosten pro 5 Jahre (Haltbarkeit der Akkus) Wartungsfahrten pro 5 Jahre
Alkaline 13-14 Monate 0,60 € 3,00 € 5
Ni-MH (hohe Kapazität) 4,5 Monate 15,00 € 15,00 € 13-15
Ni-MH (geringe SE) 10,5 Monate 15,00 € 15,00 € 5-6
Li-Ion 12,5 Monate 5,00 € 5,00 € 5

Was sagt uns diese Rechnung jetzt genau? Bevor wir ein Fazit ziehen, sollte man noch erwähnen, dass die Selbstentladung nochmal erheblich steigt, wenn die Temperatur niedriger ist. Das heißt im Winter haben wir dann nur ca. 50-75% der Laufzeit, je nach Hersteller und Akkutyp.

Fazit

Prinzipiell kann man zusammenfassend sagen, dass Ni-MH-Akkus mit hoher Kapazität für Langzeitbetrieb absolut nicht geeignet sind, da sie eine monatliche Selbstentladung von 25% haben. Optimal sind diese Ni-MH-Akkus, wenn kurzzeitig viel Leistung gebraucht wird, wie z.B. in Werkzeuggeräten oder im Modellbau. Auch die Ni-MH-Akkus mit geringer Selbstentladung liegen preislich um einiges über den den Vergleichstypen und schneiden schlechter ab.

Bei Alkaline und Li-Ion kommt es eigentlich nur auf die Laufzeit an. Wenn wir das Beispiel mit weniger Stromverbrauch rechnen, überholen die Alkaline Batterien die Lithium-Ionen Akkus deutlich. Baut man also eine sehr stromsparende Elektronik und möchte den Wartungsaufwand so gering wie möglich haben, so sollte man auf jeden Fall Alkaline-Batterien einsetzen. Braucht die Elektronik etwas mehr Strom und muss man sowieso jährlich zum Warten, so kann man durchaus über Lithium-Ionen oder Ni-MH Akkus nachdenken

Was man auch nicht vergessen sollte: Für die Akkus braucht man spezielle Ladegeräte und Alkaline Batterien bekommt man an jeder Tankstelle. Umgekehrt gesehen: Bezogen auf die gleiche Energie, braucht man den ca. 2-3-fachen Platz für Alkaline-Batterien als z.B. für Lithium-Ionen. Braucht man eine Spannung von 4V – 5V, so muss man bei Lithium-Ionen mit Spannungswandler arbeiten, was wiederum einen größeren Stromverbrauch mit sich zieht. Arbeitet man mit 3,3V, so kann man optimal einen 3,6V Lithium-Ionen-Akku plus eine kleine Vorschaltung verwenden.

Daher unser Fazit des Ganzen: Pauschale Aussagen gibt es nicht – es muss für jeden Zweck passend bestimmt werden, welche Stromversorgung man verwendet. Allgemein kann man zwar sagen, dass oft Alkaline-Batterien beim Vergleich gewinnen und optimal die Voraussetzungen erfüllen. Allerdings gibt es auch genügend Fälle, bei denen man durchaus über eine andere Versorgung nachdenken muss.

3 Replies to “Stromversorgung”

  1. Wir haben die NiMH Akkus noch nicht für Langzeitversorgung im Einsatz gehabt, aber laut Internet und anderen Bastlern stimmen die ~80% schon. Bedenke aber das die 80% bei 20° Umgebungstemperatur angegeben werden. Je kälter es ist, desto mehr Selbstentladung hast du. Darf ich fragen was der durchschnittliche Stromverbrauch deiner Schaltung ist und welche Spannung du brauchst?
    LG Martin vom Team Aying

  2. Hallo,
    ich habe mich bei meinem zukünftigen Cache-Projekt für Ansmann NIMH Akku‘s entschieden.
    Da es meine ersten Elektro-Stationen sind, habe ich aber noch keine Erfahrungen mit diesen Akku‘s.
    Laut Hersteller hat dieser Akku eine sehr geringe Selbstentladung!
    „Die Selbstentladung ist 10mal geringer als bei normalen NiMH-Akkus. Nach einem Jahr steht noch rund 80% der Anfangskapazität zur Verfügung. Möglich wurde dies durch einen speziellen Separator, der den ungewollten internen Stromfluss drastisch verringert.“
    Hoffentlich ist dies keine leere Versprechung vom Hersteller!
    VG

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