Hallo,
Ich habe mich mal an die Entwicklung einer für Modellbahner geeigneten Lade-/Entladeschaltung von Supercaps (oder auch Powercap, Goldcap, EDLC oder wie man die Dinger auch immer nennen möchte) gewagt. Damit kann man dann – ähnlich wie bei kommerziell schon erhältlichen Speichern (wie z.B von ESU oder Lenz) – Kontaktprobleme sinnvoll überbrücken.
Das Ganze sollte klein, leistungsfähig und möglichst selbst aufbaubar sein. Außerdem sollte es sich nicht erwärmen.
Und so sieht das dann aus:
Von links nach rechts: PowerCap-Lader 0805 mit 5V/0,47F als Modul, PowerCap-Lader 0805 mit 5V/0,47F, PowerCap-Lader 0805 mit 2,5V/2F, PowerCap-Lader 0603 mit 2,5V/1F als Modul, PowerCap-Lader 0805 Platine
Hier gibt's nochmal eine Vorstellung mit Demonstartion als Video: https://youtu.be/aaiVNy22MxE
Entscheidend bei einem Pufferspeicher ist vor allem auch die Baugröße, da in vielen Modellen relativ wenig Platz ist. Die Platine misst nur 15x11x4mm (0805) bzw. 14x10x4mm (0603). Die gespeicherte Energie ist in allen Fällen in denen Supercaps zum Einsatz kommen um ein Vielfaches größer als die eines Elkos oder von Tantal- bzw. Keramikkondensatornetzwerken und damit eigentlich immer mehr als ausreichend für kurze Unterbrechungen. Es ist jedoch zu bedenken, dass die Supercaps über eine Elektronik entladen werden müssen und somit nur ein Teil der Energie auch wirklich zur Verfügung steht.
Leistungsfähigkeit
Ich habe für eine meiner H0-Loks (Roco V200 bei 15km/h) die zurückgelegte Wegstrecke ab Trennstelle ermittelt:
Ohne Kondensator (nur Auslauf): 0,4 cm
Elko 1000µF bei VGleis = 18V:1,1 cm
PowerCap-Lader mit 2,5V/1F (6mm Supercap): 2,5 cm
PowerCap-Lader mit 2,5V/1F (8mm Supercap): 3,1 cm
PowerCap-Lader mit 2,5V/2F: 8,7 cm
PowerCap-Lader mit 5V/0,47F: 20,9 cm
Wer möchte kann noch etwas mehr rausholen und die Kondensatoren bis zu Ihre Spezifikationsgrenze von 2,7 bzw. 5,4V laden. Das bringt ca. 20% mehr Leistung. Aufgrund der besseren Effizienz der gewählten Entladeschaltung bei höheren Ausgangsspannungen empfehle ich die Verwendung von 5V Supercaps.
Kann ich das noch selber aufbauen?
Im Selbstbau müssen Kompromisse eingegangen werden. Dadurch stehen nicht alle Schaltungsmöglichkeiten offen und durch größere Bauteiltypen nehmen auch die Platinenausmaße zu. Ich habe versucht mit den PowerCap-Ladern 0805 und 0603 einen guten Kompromiss zu finden und zwei identische Schaltungen entworfen, die je nach Lötkenntnissen selbst bestückbar sind. Die kleinsten Bauteile sind 0805 und SOD-123 bzw. 0603 und SOD-523. Die Leistungsfähigkeit der beiden Typen ist identisch. Mit etwas Geschick, kann man so also noch ein wenig Größe einsparen.
Ich will auch sowas - was brauche ich dazu?
Zu allererst mal eine ruhige Hand und etwas Übung im Löten. Dünner Lötzinn (0,5mm), eine feine Lötspitze und eine kleine Pinzette sollten schon verfügbar sein. Der PowerCap-Lader 0805 lässt sich meiner Meinung nach ganz gut aufbauen. Den 0603er schaffe ich selber auch noch ohne Probleme. Unbestückte Platinen habe ich noch. Die nötigen Bauteile und den Bestückungsplan findet ihr in einem separaten Dokument. Darin ist der Supercap nicht enthalten, weil dieser eigentlich nicht festgelegt ist. Man kann da nehmen was man will; wichtig ist ein ausreichend hoher Peakstrom (> 0,5A) bzw. wenn der nicht angegeben ist, kann man sich auch am ESR orientieren (< 1 Ohm).
Anbei der Bestückungsplan für die Baugröße 0805 (0603 muss ich noch zusammenstellen) und eine Kurzbeschreibung mit weiteren Infos.
EDIT: Es gibt auch eine etwas kleinere Version der Platine mit Bauteilen in 0603 und ein paar zusätzlichen Funktionen. Die Leistungsfähigkeit beider ist absolut identisch. Also, wenn's auf die Größe ankommt, am besten auch mal Post #47 anschauen...
Nachtrag: Platinen in der Baugröße 0805 sind leider vergriffen und wurden mittlerweile durch V2 in der Baugröße 0603 ersetzt. Die Beschreibung dazu ist in Post 47.
Nachtrag: Es gibt jetzt noch eine kleinere Version mit 0402er Bauteilen. Vorstellung dieser mit Bauteilliste in Post #120 und Video: https://youtu.be/2AqKPHZORpE
Nachtrag 13.04.21: Ich habe die Platinen umgestellt. Es gibt jetzt nur noch 0805 (gelb), 0402 (blau) und 0201 (weiß). Die Funktionalität ist unverändert und bei allen Versionen gleich. Der Grund für die Umstellung ist, dass man leichter die Enable/Charge-Leitung von Decodern, die das unterstützen, anschließen kann. Man muss das aber natürlich nicht und kann auch weiterhin einfach nur V+ und GND anschließen. Die neuen Baugrößen können leistungsstärkere Induktivitäten aufnehmen und sind sogar etwas kleiner als das bisherige Platinendesign:
- 0805 (gelb): 14 x 10 x 4,5mm
- 0402 (blau): 10 x 9,5 x 4,5mm
- 0201 (weiß): 9 x 8 x 4,5mm
Ich habe dazu extra noch eine neue Aufbauanleitung geschrieben, die ihr hier als Anhang zu diesem Post findet. Diese beinhaltet auch mögliche Aufbauvarianten und Tipps zur Fehlersuche.
Viele Grüße
Matthias
Nachtrag:
Die Schaltung gibt es nun auch als vorbestückte Variante. Von der Sammelbestellung sind noch Restmengen in Standardausführung (Größe ca. 8x9x4mm) und Schnell-Ladevariante (ca. 14x10,5x4mm), genau wie Supercaps da. Unbestückte Platinen für vollständige „Selbstbauer“ habe ich auch noch. Bei Interesse einfach kurze PN an mich.
Die aktuelle Beschreibung ist im Post 291 und 368 sowie 416 (Bauanleitung für vorbestückte Varianten)
übereinandergelegt und schon hat man was braucht. Ein bisschen Grips gehört natürlich auch dazu. 
