Energy Harvesting Gibt es wirklich nichts geschenkt?

Dieses Sprichwort trifft nicht nur im Leben, sondern häufig auch beim Schaltungsdesign zu. Dennoch empfinden wir den Gedanken, etwas geschenkt zu bekommen, als höchst reizvoll. Gilt das auch fürs Energy Harvesting?

Energy Harvesting hat in letzter Zeit einige Aufmerksamkeit erregt. Denn hier stehen mittlerweile Techniken zur Verfügung, mit denen sich kostenlose Energiequellen anzapfen lassen wie etwa das Sonnenlicht, die Umgebungswärme oder die vom Straßenverkehr erzeugten Vibrationen. Ist dieses Ernten kostenloser Energie aber nicht der Beweis, dass es eben doch etwas geschenkt gibt? Die Antwort lautet: Beinahe, aber nicht ganz. Denn wenn etwas zu schön ist, um wahr zu sein, ist es eben meist auch nicht wahr.

In den letzten Jahren haben stromsparende HF-Funktechniken und Mikrocontroller mit extrem geringer Leistungsaufnahme eine Vielzahl neuer Anwendungen wie zum Beispiel drahtlos kommunizierende Sensor- und Steuerungssysteme ermöglicht (Bild 1). Einschränkungen ergaben sich hierbei häufig durch die Stromversorgung.

Wenn ein abseits liegender Sensor ein Kabel für die Stromversorgung benötigt, kann er nicht wirklich besonders fern installiert werden. Entscheidet man sich stattdessen für die Stromversorgung per Batterie, muss diese in gewissen Zeitabständen getauscht oder aufgeladen werden, was für einen echten Fernsensor ebenfalls mehr als nur einen Schönheitsfehler darstellt. Deshalb ergab sich die Frage, wie man ein »intelligentes« Gerät realisieren kann, das nach seiner Installation unbegrenzt lange an einem schwer zugänglichen Ort arbeiten kann.

Kostenlos, aber sehr unzuverlässig

Energy Harvesting kann helfen, diese Probleme wenigstens zum Teil zu lösen. Die langfristig verfügbare Energiequelle (Licht, Wärme oder Vibration) ist tatsächlich kostenlos. Sie ist aber auch unzuverlässig und durch starke Schwankungen gekennzeichnet. Im Gegensatz zum öffentlichen Stromnetz oder einem per Verbrennungsmotor angetriebenen Generator kann die Verfügbarkeit der Energiequelle, die so wechselhaft ist wie das Wetter, nicht garantiert werden. Von Seiten der Systemdesigner sind deshalb gewisse Investitionen erforderlich.

Um den verbleibenden Teil der Lösung zu definieren, sind im Wesentlichen noch zwei Schritte notwendig. Als Erstes wird ein Energieumwandlungssystem benötigt, das die von der Quelle (z.B. von einer Solarzelle oder einem thermoelektrischen Generator) gelieferte niedrige Spannung in eine stabile, geregelte Ausgangsspannung umwandelt, mit der das übrige System (Mikrocontroller, Funkschaltungen, Anzeigeleuchten usw.) versorgt werden kann.

Als Zweites sind Energiespeicher, also beispielsweise Akkus oder große Kondensatoren erforderlich, die eine stabile Energieversorgung des Systems sicherstellen, wenn aus der Umgebung nichts zu holen ist. Diese Energiespeicher-Elemente müssen hinsichtlich ihrer Kapazität so dimensioniert werden, dass mit ihnen der Betrieb des Systems in den Zeitspannen, in denen die »kostenlosen« Quellen keinerlei Energie beisteuern, aufrechterhalten werden kann. In kritischen Anwendungen kann es aus Gründen der Zuverlässigkeit notwendig sein, mehrere Speicherelemente vorzuhalten. Dabei ist zu hoffen, dass die dunklen Zeiten nicht unendlich lange dauern, denn sonst müsste das Speicherelement wirklich sehr groß sein.

Kein Milliampere vergeuden

Für die Aufgabe der Energieumwandlung aus einer niedrigen Eingangsspannung kommt eine ganze Reihe integrierter Hochsetzsteller in Frage. Da die Energiequelle jedoch nicht selten nur sehr wenig Leistung liefern kann, müssen diese Wandler eine sehr geringe Ruhestromaufnahme und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Schon ein einziges vergeudetes Milliampere kann eine Energy-Harvesting-Quelle nutzlos machen. Um außerdem die Komplexität für die Systemdesigner zu reduzieren, sollte der verwendete Wandler automatisch dafür sorgen, dass das Energiespeicher-Element stets ausreichend geladen ist und dass dem übrigen System eine geregelte Ausgangsspannung in der richtigen Höhe zur Verfügung steht.

Alle diese Forderungen erfüllt der Baustein »bq25570« von Texas Instruments, während der »bq25505« bei Bedarf die Verwendung eines zweiten (Hilfs-)Energiespeichers ermöglicht (Bild 2). Werden zusätzliche Ausgangsspannungen benötigt, können die Bausteine der Serie »TPS627xx« als stromsparende externe DC/DC-Wandler eingesetzt werden.

Noch einmal zurück zur eingangs gemachten Aussage, dass es nichts geschenkt gibt. In der Tat müssen für den zusätzlichen Schaltungsaufwand und die Speicherelemente einige Anfangskosten in Kauf genommen werden, um die aus der Umgebung bezogene kostenlose Energie nutzen zu können. Sind diese Investitionen jedoch einmal getätigt und geht man davon aus, dass Wandler und Speicherelemente richtig dimensioniert sind, wird es tatsächlich möglich, einen Sensor oder ein Gerät dezentral zu installieren und lange (theoretisch sogar unbegrenzt lange) zu betreiben, ohne dass Wartungsmaßnahmen wie etwa das Tauschen oder Laden von Batterien oder das Nachfüllen von Kraftstoff) erforderlich sind.

Hier passt ein weiteres Sprichwort: »Gib dem Hungernden einen Fisch, und er wird einen Tag lang satt. Lehre ihn fischen, und er wird nie mehr hungern.«

Über den Autor:

Upal Sengupta ist Applications & Marketing für Battery Management Solutions bei Texas Instruments.