Piezo-Taster funkt per Energy-Harvesting Drahtlos tasten ohne Batterie

Seine bewährte Tastertechnik auf Piezo-Basis hat der Schweizer Hersteller Algra jetzt konsequent weiterentwickelt: Per Energy-Harvesting erzeugt ein Druck auf den Taster die nötige Energie, um das Schaltsignal drahtlos an einen Empfänger zu senden.

Ganz neu ist die Idee nicht, aus der Betätigung eines Tasters per Energy-Harvesting genügend Energie zu gewinnen, um eine Schaltinformation drahtlos an einen Empfänger zu senden.

Im Fall der »Dynapic Wireless«-Technik gelingt dies allerdings mit einer weniger als 1 mm dicken Taste - unabhängig von Strom, ohne Batterie und ohne Verbindungskabel.

Die Energie für das Drahtlossignal kommt aus der Taste selbst, die auf Basis einer piezoelektrischen Membran arbeitet und nahezu ohne mechanische Teile auskommt. Die Piezotechnologie ist eine langjährige Kernkompetenz des Schweizer Unternehmens Algra, und Algra-Taster auf Piezobasis haben sich bereits in zahlreichen Anwendungen bewährt. Piezotaster basieren auf einer feinen Keramikschicht, die bei minimaler Verformung (hervorgerufen durch einen leichten Druck) eine winzige Menge elektrischer Energie abgibt - gerade ausreichend, um einen Mikrocontroller zu aktivieren und ein einfaches Drahtlos-Signal an einen abgesetzten Empfänger zu senden (Bild 1).

Das Signal selbst lässt sich als einfache An/Aus-Funktion für typische Gebäudeanwendungen wie Licht, Jalousien, etc. auslegen, es ist jedoch auch für zahlreiche andere Anwendungen wie industrielle Automatisierung oder den Maschinenbau geeignet. Der Ansatz, piezoelektrische Elemente für Energy-Harvesting zu verwenden, ist seit den frühen 70er Jahren wohlbekannt.

Technische Daten des »Dynapic Wireless«
Bedingungen
Art des Energy-Harvesting
Piezoelektrisch
Energiemenge im Kondensator
2 µJ bis 20 µJ
Übermittlungsfrequenz (Transmitter)
Standard 2,4 GHz, andere auf Anfrage
min. Energie-Schwellwert für Übermittlung
ca. 5 µJ
Kapazität der Taste (statisch)
 45 nF ±30 %
Isolationswiderstand
100 MΩ
ktivierungskraft auf Taste
5 N bis 10 N
Übermittlungsdistanz des Funksignals
10 m bis 30 m
max. Durchbiegung (elastische Deformation)
100 µm bis 300 µm
Anzahl Tastenhübe
10 Mio.
Betriebstemperaturbereich
-40 °C bis 80 °C
Abmessungen inkl. Transmitter
36 mm x 28 mm x 2 mm
Anzahl Bytes für Übermittlung
10

Dennoch ist bisher nur aus wenigen Erfindungen ein industrielles Produkt geworden, denn bei der Verwendung piezoelektrischen Materials ist dessen geringe mechanische Zuverlässigkeit eines der Haupthindernisse. Um aus mechanischer Verformung die gewünschte elektrische Spannung zu erzeugen, wird das Material oft eingespannt und bis zu einem gewissen Grad gebogen, in der Realität kann die Durchbiegung solch eines piezoelektrischen Balkens einen Millimeter leicht übersteigen.

Darüber hinaus treten im Balken inhomogene Belastungsverteilungen durch Grenzbedingungen im Einspannpunkt auf. In Kombination haben diese Effekte einen negativen Einfluss auf die mechanischen Strukturen der piezoelektrischen Energy-Harvesting-Quelle.

Die Dynapic-Technik erlaubt hingegen eine kontrollierte Verformung von 100 µm bis 300 µm durch eine neuartige Mehrschicht--Sandwichkonstruktion, bei der die Piezoscheibe einfach durch eine Spacerschicht gestützt wird (Bild 2).

Bild 3 zeigt eine vergleichende Stressanalyse für eine typische Balkenauslegung und den Dynapic-Piezotaster. Eine homogene Lastverteilung macht die Dynapic-Taster mechanisch robuster und ist der Hauptgrund, dass die Taster mehr als 10 Mio. Schaltzyklen überstehen. Die meisten der verschiedenen Energiemanagement-Elektroniken und Spannungswandler auf dem Markt sind für Applikationen auf Batteriebasis ausgelegt, wo die Batteriespannung reduziert oder erhöht wird. Andererseits kommen die meisten dieser Power-Management-Bauteile mit Energy-Harvestern zum Einsatz, die im Dauer-Vibrationsmodus arbeiten.

Kürzlich hat der US-amerikanische Hersteller Linear Technology den AC/DC-Wandler »LTC3588-1« für Piezo-Vibrations-Harvester vorgestellt, der mit Harvestern auf Basis kontinuierlicher Vibrationsmodi sehr gut arbeitet. Allerdings lassen sich diese Bauteile für die Dynapic-Piezotaster nicht einsetzen, da die Energie in Form von Spannungs-Bursts als Folge eines Fingerdrucks erzeugt wird.

Außerdem liefern die Piezotaster hohe Spannungen (typisch 20 V bis 50 V) bei sehr niedrigen Strömen und einer Pulsdauer in der Größenordnung von 100 ms. Damit besteht die Herausforderung darin, den Mikrocontroller innerhalb einer kurzen Zeitspanne aufzuwecken und ein einfach kodiertes Signal an den Empfänger zu senden - und das mit der erzeugten Energie in der Größenordnung von 2 µJ bis 20 µJ. Dies erfordert Power-Management-Elektronik, die bei extrem niedrigen Strömen und hohen Impedanzen funktioniert.

Ein maßgeschneidertes Power-Management-ASIC beinhaltet aktive Brückengleichrichtung mit Spannungsaufbereitung und weist einen typischen Stromverbrauch von unter 50 nA bei einer Vorwärts-Bias-Spannung von weniger als 40 mV auf.

Bild 4 zeigt den Spannungsverlauf am kürzlich vorgestellten Prototypen. Die Zeit vom Fingerdruck bis zur Übertragung des Drahtlos-Signals liegt innerhalb von 100 ms. Erwähnenswert ist auch, dass die hier verwendeten Drahtlosprotokolle proprietär und darauf ausgelegt sind, mit auf dem Markt verfügbaren Ultra-Low-Power-Funkmodulen zu arbeiten. Gegenwärtig lässt sich mit einer Sendefrequenz von 2,4 GHz ein Drahtlos-Übertragungsabstand von 10 m bis 30 m erreichen.

Bei der Entwicklung der Technik haben die Algra-Techniker eng mit der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften in Winterthur und dem Mikroelektronik-Spezialisten Microdul in Zürich zusammengearbeitet. Weitere Entwicklungen im Hinblick auf den Einsatz von Hochleistungskeramik für die piezoelektrische Membran laufen mit führenden Piezokeramik-Herstellern. Bei Algra ist man davon überzeugt, dass die verbesserten Piezomaterialien zusammen mit kundenspezifischen ASICs flexiblere Lösungen bieten, auf dem Markt bereits existierende Standard-Drahtlosprotokolle einzusetzen. Gleichzeitige Fortschritte beim Energieertrag sollten es erlauben, Kopien des kodierten Signals zu senden, wodurch sich allgemein die Zuverlässigkeit des drahtlosen Schaltens steigern ließe.

Nach Ansicht der Hersteller wird Dynapic Wireless die Tür öffnen für Anwendungen wie Drahtlosschalter für Gebäudeautomatisierung, Automobilzugang, Steuerung von Garagentoren usw., wo sich die Technik durch ihre geringe Größe, ihre Robustheit und die geringen Kosten von bestehenden energieautonomen Schaltern abheben wird. Auch lässt sich die Technik als Energiequelle für kleine Embedded Systeme verwenden, bei denen drahtlose Kommunikation nicht erforderlich ist. Ein Beispiel wären Datenlogger für mechanischen Kontakt bzw. Stöße in der Transportindustrie.

Algra plant die Markteinführung von Dynapic Wireless für das erste Quartal 2012. Die fachliche Anerkennung hat die Technik bereits erhalten: Die Leser der Fachzeitschrift Elektronik haben dem Dynapic-Wireless-Taster bei der Wahl der »Elektronik-Produkte des Jahres 2011« zum dritten Platz in der Kategorie Elektromechanik verholfen.

Über den Autor:

Venkatesh Sivasubramanim ist bei Algra als Materialexperte in der Entwicklung tätig.