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SuperCaps für die Medizintechnik: Kompakte und wartungsfreie DC-USV

Bei einem Ausfall des öffentlichen Stromversorgungsnetzes fahren in Krankenhäusern innerhalb von 15 Sekunden die Notstromaggregate auf volle Leistung und versorgen alle wichtigen Systeme. Bis dahin muss der zuverlässige Betrieb von lebenserhaltenden oder kritischen Systemen mit...

SuperCap von Bicker Elektronik Bildquelle: © Bicker Elektronik

...unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) zu jeder Zeit gewährleistet werden. SuperCaps bieten eine wirtschaftliche Lösung.

Ein Netzausfall in einer Klinik während einer robotisch assistierten Operation könnte fatale Folgen haben. Im Fall eines Stromausfalls muss gewährleistet werden, dass alle Geräte in eine definierte Grundposition zurückfahren bzw. der Operateur die Kontrolle behalten kann. Oft sind hierfür batteriegestützte USV-Lösungen vorgesehen, die jedoch nicht wartungsfrei sind, sondern turnusgemäß den Austausch alternder Akku-/Batteriepacks erfordern und somit im Ernstfall ein Sicherheitsrisiko darstellen können. Dieses Risiko beruht hauptsächlich darauf, dass eine klassische Batterie (Blei oder Li-Ionen) ausfallen kann, obwohl die Akku-Kapazitätsanzeige Restenergie indiziert. Erst wenn die Batterie belastet wird, bricht die Spannung ein. 

Als alternative Energiespeicher bieten sich Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC – Electric Double-Layer Capacitor) an, auch bekannt als Ultrakondensatoren oder SuperCaps. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie über den Umweg einer chemischen Reaktion speichern, basieren SuperCaps auf elektrophysikalischen Prinzipien und sind innerhalb kürzester Zeit geladen und einsatzbereit, arbeiten in einem weiten Temperaturbereich (–40 bis +85°C) und haben eine hohe Strombelastbarkeit, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit. Aufgrund der hohen Zyklenfestigkeit (>500.000 Be- und Entladezyk­len) weisen DC-USV-Systeme mit Doppelschicht-Kondensatoren eine lange Lebensdauer und einen weiten Betriebstemperaturbereich auf. Für das medizinische Gesamtsystem bedeutet das eine Erhöhung der langjährigen Verfügbarkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Wartungsaufwandes. Auch nach dem Erreichen des EOL (End of Life) ist ein Doppelschicht-Kondensator nicht defekt, sondern weist lediglich eine vordefinierte Minderung der Kapazität und einen höheren ESR (Ersatzserienwiderstand) auf. 

Bild 1: Schematischer und stark vereinfachter Aufbau eines Doppelschicht-Kondensators. Bildquelle: © Bicker Elektronik

Bild 1: Schematischer und stark vereinfachter Aufbau eines Doppelschicht-Kondensators.

Doppelschicht-Kondensatoren – effiziente Energiespeicher 

Prinzipiell bestehen Kondensatoren aus zwei Elektrodenflächen, die sich in geringem Abstand gegenüberstehen, und einem Dielektrikum als nicht leitende Isolationsschicht dazwischen. Schließt man die Elektroden an eine Spannungsquelle an, werden diese – vereinfacht beschrieben – gegenpolig aufgeladen und erzeugen aufgrund der Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektrodenflächen ein elektrisches Feld. Sind beide Elektrodenflächen vollständig positiv bzw. negativ geladen, kommt der Stromfluss zum Erliegen, d.h., der Kondensator ist geladen und speichert die elektrische Energie, sodass diese durch den Anschluss eines Verbraucherstromkreises wieder entnommen werden kann. Die Kapazität C eines Kondensators hängt hierbei wesentlich von der Oberflächengröße der Elektroden und ihrem Abstand zu­einander ab. Auch die Beschaffenheit des Dielektrikums fließt in Form der Dielektrizitätszahl in die Formel für die Kapazitätsberechnung eines Kondensators ein:

C [F] = ε • A / d

Darin stehen C für die Kapazität, ε für die Dielektrizitätszahl, A für die Fläche und d für den Plattenabstand. Bei der Entwicklung von SuperCaps wurden die Parameter an einigen Stellen entscheidend optimiert, sodass im Vergleich zu Keramik-, Tantal- oder Elektrolytkondensatoren auf wesentlich kleinerem Raum hohe Kapazitäten (bis zu mehreren tausend Farad) realisiert werden können: Zum einen bestehen die Elektroden aus Aktivkohle, also reinem Kohlenstoff mit einer besonders großen Oberfläche von bis zu 1000 Quadratmetern pro Gramm. Zum anderen wurde das Dielektrikum durch ein elektrisch leitendes Elektrolyt und einen ionen-durchlässigen Separator ersetzt. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Doppelschicht-Kondensators. Beim Ladevorgang wandern die negativen Anionen durch den Separator zur positiven Elektrode, die positiven Kationen bewegen sich zur negativen Elektrode. An den beiden Grenzschichten zwischen Kohlenstoff-Elektroden und Elektrolyt bilden sich die Helmholtz-Doppelschichten, bestehend aus nur wenigen Molekülschichten. Durch den sehr geringen Abstand entstehen elektrische Ladungsträger-Schichten mit besonders hoher Leistungsdichte, die sich wie zwei Kondensatoren gleicher Kapazität verhalten, welche durch das Elektrolyt in Reihe miteinander verbunden sind. Die Kombination aus großer Elektrodenfläche und kleinen Abständen an den Grenzschichten führt zu den beeindruckend hohen Kapazitäten.