Batterie-Backup-Schaltung: Kompletter Leitfaden zum Bau zuverlässiger Stromversorgungslösungen

Die Wahrscheinlichkeit ist hoch, dass Sie schon einen Stromausfall erlebt haben, aber automatisch auf Batteriestrom umgeschaltet wurden. Backup-Batterien versorgen ein System generell mit Strom, wenn keine primäre oder externe Stromquelle verfügbar ist. Backup-Batterien reichen von ausgedehnten Batterieräumen für unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) bis zu Einzelzellen in Computern. Anwendungsbeispiele: Solid-State-Laufwerke, Server, Wecker, medizinische Anwendungen und diverse Systeme, wo Stromversorgungssicherheit essenziell ist. Dieser Artikel stellt Ihnen Batterie-Backup-Schaltungsprojekte vor, das Hauptprojekt mit 12V-Stromversorgung.

Backup-Batterie in einem Motherboard

Was ist eine Batterie-Backup-Schaltung?

Batterie-Backup-Schaltungen sind Schaltungstypen, die die Last sofort auf die Batterie umschalten, wenn keine Hauptversorgung vorhanden ist. Liegt jedoch eine Hauptversorgung vor, wechselt die Last zur Stromversorgung, während die Backup-Batterie in den Lademodus geht.

Sie finden Batterie-Backup-Schaltungen meist in Anwendungen mit Überwachungssystemen wie Alarmbetrieb. Fällt die Hauptversorgung aus, übernimmt die Backup-Batterie sofort die Last.

(Heim-Sicherheitsalarm)

Schaltbild der Batterie-Backup-Schaltung

Schaltbild einer Batterie-Backup-Schaltung

Das Diagramm zeigt einen einfachen Batterie-Backup-Schaltkreis. In puncto Funktion:

• Der 7812 IC liefert 12V geregelten DC-Strom für die Schaltung. Zusätzlich lädt er den wiederaufladbaren Akku.
• Die LED zeigt den Stromstatus an.
• Bei verfügbarer Netzversorgung leitet D1 vorwärts (Forward Bias) und führt Strom über R2 zur Batterie. Der Wert von R2 sollte 90 mA Strom für langsames Laden liefern.
• Ohne Netzversorgung leitet D2 vorwärts, D1 sperrt (Reverse Bias). Folglich übernimmt die Batterie die Schaltung (Backup).

Eigene Batterie-Backup-Schaltung erstellen

Bauen wir nun unsere Batterie-Backup-Schaltung anhand der folgenden Beispiele.

12V-Netzteil mit Batterie-Backup-Schaltung

Wir nutzen ein 12V-Netzteil für unser erstes DIY-Projekt. Bei vorhandenen Netzspannungen wechselt die Last zur Hauptversorgung, während der Akku automatisch in den Lademodus geht. Fehlt die Netzversorgung, schaltet der Schaltkreis die Laststrom automatisch auf die Batterie – Backup-Methode.

Benötigte Materialien

Hardware-Komponenten für die Schaltung:

• Batterie – 12V 7,2 Ah
• Z-Diode – 9,1V oder Schottky-Dioden für niedrige Spannung (0,4V)

Eine Schottky-Diode

• LM812 IC (bzw. 7812 / LM317 für einstellbar)
• Relais – 12V
• Grüne LED
• Abwärtstransformator – 110V oder 230V AC zu 12V/1A
• 4 Brückengleichrichter – 1N4007
• Kondensatoren – 1000 µF/50V, 330 µF, 100 nF
• Widerstände – 1 kΩ (3 Stück), 10 kΩ, 470 Ω
• Schalter
• Transistoren – 2N4401, 2N4403
• Je zwei Dioden für 1N4007 und 1N4148

Schaltbild

Schaltbild eines 12V-Netzteils mit Batterie-Backup

Funktionsprinzip erklärt

Der obige Schaltkreis besteht aus drei Teilen für diese fortschrittliche Schaltnetzteil-Technologie mit 12V.

• Erster Teil: Abwärtstransformator, der die Batterie-Backup-Schaltung mit Strom versorgt.
• Zweiter Teil: Automatisches Batterieladegerät, 12V 7,2 Ah. Alternativ 12 Ah oder 10 Ah für längere Backup-Zeit. 20 oder 25 Ah Blei-Gel-Akkus (SLA) sind ebenfalls empfehlenswert, laden aber langsamer, was die Backup-Zeit verringert. Beispiel: Ein 20 Ah entladener Akku braucht bis zu 20 Stunden zum Vollladen.

Bei vollem Akku stoppt die Schaltung sofort. Die grüne LED zeigt an, ob der Akku voll geladen ist.

• Dritter Teil: Spannungsregler. Er nutzt Glättungskondensatoren und IC LM812 (bzw. 7812) für eine saubere, feste Backup-Spannung von 12V.

Der Schaltkreis liefert einen Ausgangsstrom von 1A – passend für Geräte unter 1A Stromverbrauch.

Sie können die Schaltung mit geeigneten Dioden und einem Hochstromtransformator für noch höheren Strom modifizieren. Ein IC-Transistor kann den Ausgangsstrom ändern. Schließlich lädt der Schaltkreis den Hochstrom-Akku schneller.

Hinweise zur Schaltungsanpassung

Vor Inbetriebnahme sind Anpassungen nötig:

• Schließen Sie die Schaltung an eine einstellbare Stromversorgung von 14,4V an.
• Entfernen Sie Transformator und Batterie. Verbinden Sie die Stromversorgung dort, wo zuvor die Batterie war.
• Stellen Sie den 10 kΩ Variabelwiderstand so ein, bis die grüne LED leuchtet.
• Ersetzen Sie die einstellbare Stromversorgung durch Ihren Original-Transformator und die Batterie. Die Schaltung geht in Lademodus.
• Prüfen Sie während des Ladens, ob die LED leuchtet, wenn die Batteriespannung 14,4V erreicht. Nutzen Sie auch ein Multimeter zur Spannungsprüfung. Leuchtet die LED nicht, justieren Sie den 10 kΩ Variabelwiderstand, bis sie leuchtet.

(LED-Birne)

• Ihre Schaltung ist nun einsatzbereit.

Einfache 5V Backup-Batterie-Schaltung

Die einfache 5V-Schaltung eignet sich für Mikrocontroller-Projekte, wo Sie eine Stromquelle ohne Unterbrechung benötigen.

Einfache Schaltung mit 5V Backup-Batterie

Funktionsweise:

Fällt die Hauptversorgung aus, übernimmt die Batterie automatisch die Last. Startet die Hauptversorgung wieder, schaltet die Batterie in Lademodus.

Alternative Backup-Form

Eine Batterie-Backup geht oft in Standby, wenn die Hauptstromversorgung ausfällt. Allerdings erhalten nur Alarmbereiche oder kritische flüchtige Speicher Strom. Daher benötigen Sie einen überdimensionierten Akku, um Daten bei langfristigen Ausfällen zu halten.

Im Gegensatz dazu liefern kondensatorbasierte Backup-Systeme kontinuierliche Energie bei Hauptstromausfall. Das System überträgt flüchtige Daten in Flash-Speicher mittels Kurzzeit-Backup-Leistung. Sie benötigen jedoch zusätzliche Sicherheitsfunktionen, um sicherzustellen, dass Kondensatoren im Lademodus ihre Maximalspannung nicht überschreiten.

Fazit

Eine Backup-Batterie arbeitet durch Umschalten vom Lademodus in die Backup-Methode. Mit richtiger Pflege wie mittlerer Temperatur und Feuchtigkeit hält Ihre Backup-Batterie 3–5 Jahre für Backup-Strom.

Planen Sie das Projekt? Kontaktieren Sie uns mit technischen Fragen für mehr Unterstützung bei Problemen. Wir helfen gerne.