HF-Störungen bei 1,5 Volt Lithium Ionen Akkus
1,5-Volt-Lithium-Ionen-Akkus verwenden einen internen DC-DC-Wandler, um aus der Zellspannung (3,0 bis 4,2 Volt – je nach Ladezustand) eine stabile Ausgangsspannung von 1,5 Volt zu erzeugen. DC-DC-Wandler unterscheiden sich je nach Typ und Laststrom deutlich in der Art und Weise, wie die Spannung stabilisiert wird. Die Spannung schwankt dabei mit einer bestimmten Frequenz um die Sollspannung und erzeugt HF-Störungen, die empfindliche Geräte stören können. Diese Störungen können auftreten, wenn die Akkus in dem jeweiligen Gerät verwendet werden, aber theoretisch auch andere Geräte in der Nähe beeinflussen.
Ob ein bestimmter Akku in einem bestimmten Gerät in der Praxis tatsächlich stört, ist nahezu nicht vorhersehbar. Wie man in unseren Tests erkennen kann, ändern sich Frequenz und Wellenform je nach Last- und Ladezustand erheblich und erzeugen damit ständig andere Störungen inklusive Oberwellen. Dennoch konnten wir Störungen an Geräten reproduzieren, bei denen bekannt ist, welche Frequenzen besonders störanfällig sind.
Beispiel Funkuhren
Funkuhren empfangen das Zeitsignal über den Langwellensender DCF77 bei einer Frequenz von 77,5 kHz. Das Signal ist sehr schwach und kann leicht durch Störquellen überlagert werden. In unserem Test haben wir eine Funkuhr in räumliche Nähe (wenige Zentimeter) zu einem AA-Akku gebracht und diesen mit einer Last entladen, bei der der interne DC-DC-Wandler eine Schaltfrequenz im Bereich von 77,5 kHz erzeugte. Die Uhr war unter diesen Bedingungen nicht mehr in der Lage, das Zeitsignal zu empfangen.
Legt man hingegen denselben Akku direkt in die Uhr ein, traten in der Regel keine Probleme auf, da die Uhr eine andere Lastaufnahme hat, die üblicherweise nicht zufällig genau diese Frequenz erzeugt. Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass es Akkus bzw. DC-DC-Wandler gibt, die auch bei der Lastaufnahme der Uhr eine Frequenz oder Oberwelle erzeugen, welche genau diesen Frequenzbereich stört.
An diesem Beispiel wird deutlich, wie schwierig eine Vorhersage ist und wie viele Parameter dabei eine Rolle spielen. Um das Störpotenzial selbst einschätzen zu können, ist es zumindest wichtig zu wissen, auf welche Frequenzen das jeweilige Gerät empfindlich reagiert. Ist dies bekannt, lassen sich unsere Testergebnisse zu den einzelnen Akkus heranziehen, um abzuschätzen, bei welchen Lasten ein Akku in welchen Frequenzbereichen (Oberwellen beachten) potenziell Störungen verursachen könnte.
Störungen messen
Wir haben die Akkus keiner vollwertigen EMV-Prüfung unterzogen. Dafür fehlt uns die entsprechende Ausrüstung, und selbst eine solche Prüfung könnte keine gesicherte Aussage im Sinne von „dieser Akku stört dieses Gerät sicher“ oder „stört sicher nicht“ liefern.
Stattdessen haben wir Folgendes gemessen:
Mit einem Oszilloskop wurden Vpp und RMS bei unterschiedlichen Laststufen ermittelt und zusätzlich ein Blick auf die Wellenform geworfen.
Der Vpp-Wert (Peak-to-Peak) beschreibt den größten Spannungsunterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt des gemessenen Signals innerhalb des betrachteten Zeitfensters.
Der RMS-Wert (Root Mean Square) beschreibt den effektiven Spannungswert der Ripple-Komponente und ist ein Maß für die tatsächlich vorhandene Störenergie im Signal.
Vpp und RMS bewerten unterschiedliche Eigenschaften desselben Signals:
-
Vpp zeigt, wie groß die schlimmsten Ausschläge sind
-
RMS zeigt, wie stark das Signal im Mittel tatsächlich stört
Diese von uns gemessenen Werte sollten im Kontext unserer Akkutests jedoch nicht überbewertet werden. Grundsätzlich sind zwar niedrige Vpp- und RMS-Werte positiv, allerdings ist auch die Wellenform entscheidend. So kann ein Akku beispielsweise eine nahezu sinusförmige Wellenform aufweisen und trotz hohem Vpp deutlich weniger stören als ein sägezahnartiges Signal mit scharfen Flanken und geringerem Vpp.
Die Wellenform unterscheidet sich dabei nicht nur von Akkutyp zu Akkutyp, sondern kann sich auch bei ein und demselben Akku je nach Laststufe stark verändern. Bei geringen Lasten arbeiten DC-DC-Wandler oft im Burst- oder Skip-Mode mit schnellen Spannungsspitzen und längeren Pausen, was das Störpotenzial erhöhen kann. Bei mittleren Lasten ist häufig der Continuous Conduction Mode (CCM) aktiv, der meist weniger problematisch ist. Bei sehr hohen Strömen steigen Vpp und RMS in der Regel stark an, wodurch auch das Störpotenzial wieder zunimmt.
Frequenz messen
Fast wichtiger als Vpp und RMS ist die Schaltfrequenz bei unterschiedlichen Belastungen sowie die zugehörigen Oberwellen. Zur Bestimmung dieser Frequenzen haben wir einen Spektrumanalysator eingesetzt und ergänzend Messungen mit dem Oszilloskop durchgeführt.
Ein enges Frequenzband ist potenziell weniger problematisch, da es unwahrscheinlicher ist, genau eine störungsempfindliche Frequenz zu treffen. Anhand der von uns ermittelten Schaltfrequenzen kann ein Nutzer abschätzen, ob ein Akku potenziell in einem für seine Anwendung kritischen Frequenzbereich arbeitet. In Bezug auf Funkuhren konnten wir hier eine recht gute Trefferquote feststellen.
Unsere Diagramme
Bei allen zukünftigen Tests erstellen wir ein Diagramm, das versucht, das Störpotenzial über den Lastverlauf hinweg zu visualisieren und die jeweils dominanten Frequenzen pro Laststufe anzugeben.
Zusätzlich ermitteln wir Durchschnittswerte über alle Laststufen hinweg, um einen Gesamtwert zu erhalten, der einen einfacheren Vergleich zwischen verschiedenen Akkus ermöglicht.
Da die Wellenform im Diagramm nur eingeschränkt beurteilt werden kann, versuchen wir ergänzend, zu jedem Akku eine kurze qualitative Einschätzung abzugeben oder einen Ausschnitt aus dem Oszilloskop zu zeigen. Dies erfolgt in der Regel bei einem Strom von 500 mA oder dann, wenn besondere Auffälligkeiten festgestellt wurden.
Diagramm für XTAR 2700mAh
Spectrum Analyser
Im Spektrumanalysator lässt sich gut erkennen, welche dominanten Frequenzen auftreten, welche Oberwellen vorhanden sind und wie breit das Frequenzspektrum insgesamt ist.
Im linken Bild ist der XTAR-2700-mAh-Akku bei 500 mA Last zu sehen. Die dominante Frequenz ist klar erkennbar, ebenso die zugehörigen Oberwellen. Abseits dieser dominanten Frequenz ist das Spektrum vergleichsweise ruhig, was auf einen sauberen CCM-Betrieb hindeutet. Es ist daher zu erwarten, dass der Akku bei diesem Laststrom hauptsächlich in einem engen Frequenzband stört.
Das rechte Bild zeigt dagegen einen sehr billigen und qualitativ schlechten Akku (AJNWNM 3400 mWh), der so auffällig war, dass er nicht weiter ausführlich getestet wurde. Hier ist kaum eine dominante Frequenz auszumachen; stattdessen zeigt sich ein breitbandiges Störspektrum über viele Frequenzen hinweg. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit für Störungen deutlich. Der Vpp-Wert liegt bei diesem Akku bei 500 mA teils bei 140 mV und darüber, zudem ändert sich die Wellenform häufig.
Wellenform
Die Wellenform hat, wie bereits beschrieben, einen wesentlichen Einfluss auf das Störpotenzial. Im linken Bild sehen wir die Wellenform des XTAR-2700-mAh-Akkus bei 500 mA Last: geringer Vpp und niedriger RMS, jedoch mit leicht kantiger Signalform. Im rechten Bild ist der EBL-3300-mWh-Akku zu sehen, der deutlich höhere Vpp-Werte aufweist, dafür aber einen vergleichsweise sauberen sinusähnlichen Verlauf zeigt, der in der Regel weniger störend ist. Allerdings wird auch diese Sinusform durch einzelne Peaks unterbrochen, die wieder zu scharfen Flanken führen.
Zusammenfassung
Das „Störpotenzial“ eines AA-Akkus mit internem DC-DC-Wandler zu messen, ist schwierig. Das Thema ist vielschichtig, und die Aussagekraft für die praktische Anwendung bleibt begrenzt. Durch die Ermittlung der dominanten Frequenz, der Frequenzverteilung, der Wellenform sowie von Vpp und RMS kann man sich dem Problem jedoch annähern und vergleichende Aussagen über das Störpotenzial unterschiedlicher Akkus treffen.
Ob ein bestimmter Akku in einem bestimmten Gerät oder in der Nähe eines bestimmten Geräts tatsächlich Probleme verursacht, lässt sich jedoch nur sehr eingeschränkt abschätzen. Selbst Akkus mit ungünstigen Messwerten, problematischen Wellenformen und breiten Wandlerfrequenzen funktionieren in den meisten Geräten problemlos. Andere Kriterien wie Kapazität, Zyklenfestigkeit, Selbstentladung oder maximaler Ausgangsstrom sind in der Praxis oft deutlich wichtiger.
Dennoch hoffen wir, mit den neuen Messverfahren einen kleinen Einblick in diese spezielle Problematik von Akkus mit DC-DC-Wandler geben zu können
Darüber hinaus sind wir auf Eure Erfahrungen zu diesem Thema gespannt. Aussagen wie Akku xy macht Problem im Gerät yz sind durchaus sinnvoll und können Messungen untermauern und anderen Nutzern helfen das Störpotenzial für die eigene Anwendung abzuschätzen. Unter dem Strich und mit vielen Jahren Erfahrung mit den Akkus: das Problem ist nicht so dramtisch wie es hier und da an anderen Stellen beschrieben wird und in den überwiegenden Anwendungsfällen kein Grund auf die Vorteile dieser Akkus zu verzichten!
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