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Was sind Gold-Cap Kondensatoren ? Ein Beispiel .....

Um diese Sparte der speziellen Kondensatoren besser erklären zu können, muß ich etwas ausholen :

Unter dem Begriff (oder der Bezeichnung) "Kondensator" verstehen wir Elektrotechniker die "Funktion der Speicherung" von elektrischer Energie. Doch diese Speicherung ist nicht ganz so trivial, wie man es gerne hätte.

Es gibt da 3 wichtige Kriterien :

  1. Wieviel Energie wird gespeichert  ?
    Das "Wieviel" ist einfach und wird in Farad oder Mikrofarad oder Nanofarad angegeben und bestimmt zusammen mit der Spannung die Größe bzw. das Volumen des Kondensators.
  2. Wie schnell wird die Energie gespeichert ?
    Das "Wie schnell" ist schon komplexer. Also wie schnell bekomme ich die Leistung (oder den Ladestrom) in den Speicher rein und auch aus dem Speicher wieder raus.
  3. Wie lange wird gespeichert ?
    Und das "Wie lange bleibt diese Leistung in dem Speicher" ist ein ganz anderes Kriterium - nämlich Entladestrom über die Zeit zuzüglich der Selbstentladung. Und das beschäftigt uns hier bei den Gold-Caps im Audio-Bereich und bei Spezialanwendungen.

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Als Beispiel : "Fahrrad-Rücklicht mit Leuchtreserve"

Die Aufgabenstellung ist sehr ähnlich zu der in den Multimedia-A/V Receivern und Verstärkern, bei denen die letzten Einstellungen des Bedieners irgendwie und irgendwo aufgehoben - gespeichert - werden sollen oder müssen. Darum können wir das wirklich gleichermaßen beschreiben.

Der deutliche Unterschied ist alleine die Entladedauer über Monate - jedoch mit ganz erheblich geringeren Strömen, sodaß die Selbstentladung des Gold-Cap eine größere Rolle spielt.
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Wofür solch eine Rücklicht- Leuchtreserve

Das GOLD-CAP-STANDLICHT - aus Elektor 02/95 - für uns als Beispiel für die Funktion eines Gold-Cap Kondensators.

Aus Sicherheitsgründen sollten Fahrrad-Rücklichter auch bei sehr langsamer Fahrt und nach dem Ampelstopp kräftig weiterleuchten. Als Leuchtreserve bieten die als Gold-Caps bekannten Superkondensatoren in Verbindung mit sehr hell leuchtenden LEDs gegenüber NiCd-Akkus und Glühlämpchen viele Vorteile. Dabei kommt es aber auch auf eine optimale Auslegung der Schaltung an, wie unser Beitrag zeigt.
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Es geht um Fahrräder mit Dynamos

Wenn man von den eher vom Zeitgeist denn vom technischen Fortschritt hervorgebrachten Enwicklungen wie Mountain- oder Citybikes einmal absieht, hat sich beim Fahrrad in den letzten 25 Jahren nicht viel geändert.

Das mag zum einen daran liegen, daß dieses Produkt im Grunde genommen schon vor langer Zeit eine optimale Form gefunden hat. Andererseits ist aber beispielsweise bei der elektrischen Ausrüstung unter dem Sicherheitsaspekt kaum zu vertreten, daß die meisten Räder immer noch mit dem seit Jahrzehnten unveränderten Standard-System aus Dynamo und Glühlämpchen ausgerüstet sind, das den Radler buchstäblich im Dunkeln stehen läßt, sobald er steht.

So kann doch relativ häufig der Fall eintreten, daß man mit einem unbeleuchtetem Rad an der Kreuzung steht. Wenn man als höchste Priorität ein zuverlässig funktonierendes Stand-Rücklicht ins Pflichtenheft eines Entwicklers im Elektor-Labor schreibt, ist es daher nicht überraschend, daß die Schaltung keinen Akku verwendet.
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Der Pufferkondensator

Der Vorteil von Gold-Caps liegt bei einer hohen Zuverlässigkeit und Unempfindlichkeit, gepaart mit einem völlig unkomplizierten Lade- und Entladeverhalten, das ja dem eines Elkos gleicht. Der Nachteil einer relativ geringen gespeicherten Strommenge läßt sich bei der Anwendung im Fahrradrücklicht dadurch ausgleichen, daß man anstelle des Glühlämpchens wesentlich effizientere superhelle Leuchtdioden einsetzt.

Wenn dann auch noch durch modernste Elektronik in Form eines Miniatur-Schaltreglers für eine optimale Ausnutzung der im Goldcap gespeicherten Energie gesorgt wird, läßt sich trotz der beschränkten Kapazität eines Gold-Caps eine ausreichend lange Nachleuchtdauer erzielen.

Dadurch löst sich auch das Problem der Nachladezeit. Da die benötigte Strommenge gering ist, ist der Goldcap schon nach kurzer Fahrstrecke wieder aufgeladen und die Standlichtreserve einsatzbereit.

Die vorgestellte Schaltung ermöglicht schon nach einer Fahrzeit (mit Licht!) von gut einer Minute eine Rücklicht-Nachbrenndauer von ungefähr 3,5 Minuten, was auch für die längste Ampelrotphase ausreichen müsste.
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Der Dynamo liefert Wechselstrom

Ein Fahrraddynamo ist ein Wechselstromgenerator, der nominal etwa 6V bei einer Frequenz liefert, die von der Dynamodrehzahl und damit von der Fahrgeschwindigkeit abhängt. Als typischer Wert wurde bei einer Geschwindigkeit von etwa 10km/h eine Frequenz von etwa 160Hz ermittelt. Unsere Elektronik macht daraus eine Lade-Gleichspannung und regelt den Rest. Wie das zusammen mit einem Schaltregler funktioniert, ist ncht wichtig.
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Die Stromquelle für superhelle LEDs

Superhelle LEDs (super-luminosity) ersetzen bei uns das uralte Glühlämpchen des Rücklichts. Die Brennspannung der beiden in Reihe geschalteten LEDs beträgt ungefähr 3,6V. Für eine optimale Ausnutzung der Kapazität des Gold-Caps muß daher die anfangs zu hohe Spannung nach unten transformiert und gegen Ende der Entladung hochtransformiert werden. Einen geeigneten digitalen Spannungswandler gibt es in Form des MAX879.

Er kann bei Eingangsspannungen zwischen 1,5 und 6,2V eine konstante Ausgangsspannung von maximal 6V liefern. Das IC ist hier sinnvollerweise als Stromquelle für die LEDs geschaltet und auf einen konstanten Strom von 6mA eingestellt. Dieser Wert wurde in praktischen Versuchen als guter Kompromiß zwischen Helligkeit und Nachleuchtdauer (3.5 Minuten) ermittelt.
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Bild 1 - die Schaltung - (die ist nur für Spezialisten)


Bild 1. Als Stromspeicher für das Rücklicht dient ein Gold-Cap-Kondensator mit 1 Farad Kapazität, der vom Dynamo über einen diskreten Spannungsbegrenzer geladen wird. Die Entladung erfolgt über einen 1IC-Schaltregler, der den Strom durch die beiden superhellen LEDs trotz absinkender Kondensatorspannung über 3 Minuten lang konstant hält.

Erklärung bzw. Nachtrag - Ein "Farad" für das "Fahrrad"

Als Energiespeicher für das Fahrradrücklicht wird anstelle eines Akkus ein Kondensator mit einer Kapazität von 1 Farad verwendet, was in den für Elkos gebräuchlicheren Mikrofarads (pF) ausgedrückt dem stolzen Wert von einer Million Mikrofarad (1.000.000 pF) entspricht.

Ein derartiger Elko sieht eigentlich nicht wie in üblicher Elko aus, sondern eher wie eine Knopfzelle (z.B. Hörgeräte-Batterie). Diese von der Technologie her zwischen Elko und Akku angesiedelten Bauelemente finden in erster Linie als Akkuersatz zur Pufferung von statischen RAMs Verwendung und sind mittlerweile nicht mehr viel teurer als eine größere Lithium-Knopfzelle.

Gegenüber NiCd-Akkus in gleicher Bauform weisen sie einige Vorteile auf:

  • praktisch unbegrenzte Anzahl von Lade- / Entladezyklen
  • keine Ladeschaltung erforderlich
  • 7 bis 10 Jahre Mindestlebensdauer
  • wartungsfrei
  • umweltfreundlich, da ohne Quecksilber, Cadmium und Blei
  • kompakte Abmessungen (21 mm x 7.5 mm)


Als Nachteil ist in erster Linie der relativ hohe Innenwiderstand von etwa 20 Ohm zu nennen, wodurch sich zwar einerseits der Ladestrom von selbst begrenzt, andererseits aber auch eine gewisse minimale Ladezeit nicht unterschritten werden kann. In der vorgestellten Rücklichtschaltung dauert eine Volladung 72 Sekunden, dafür erhält man aber auch eine Nachleuchtdauer bei stehendem Fahrrad von 3,5 Minuten.

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