Energiequellen Energy Harvesting für Elektroniksysteme

Seit mehr als zwölf Jahren bewähren sich miniaturisierte Energiewandler als Stromversorger für Elektronik. Doch welche Energiequelle eignet sich für welches Produkt? Und wo stößt Energy Harvesting an seine Grenzen?

Miniaturisierte Energiewandler erlauben es heutzutage, funkbasierte Sensoren, Schalter und sogar Aktoren unabhängig von einer externen Stromquelle oder Batterien arbeiten zu lassen. Das Prinzip der Energieernte aus der Umgebung, das „Energy Harvesting“, benötigt letztlich aber mehr als nur den Energiewandler als einzige Komponente. Eine Produktintegration basiert vielmehr auf mehreren aufeinander abzustimmenden Elementen: Energiewandler, Funkmodule, Energiemanagement-Komponenten und ein energiesparendes Funkprotokoll.

Unterschiedliche Energiequellen nutzen

Ein Beispiel für einen mechanischen Energiewandler ist der Typ ECO 200 (EnOcean, Bild 1), der Bewegung in elektrische Energie verwandelt. Diese stellt er unmittelbar nach der Betätigung zur Verfügung. Ein kleiner, aber leistungsstarker Magnet treibt einen magneti-schen Fluss durch zwei magnetisch leitende Ankerbleche, dieser schließt sich in einem U-förmigen Kern. Um diesen Kern ist eine Indukti-onsspule gewickelt. Der Kern selbst ist beweglich und kann zwei Positionen einnehmen, in denen er die jeweils gegenüberliegenden Ankerbleche berührt. Diese Konstruktion liefert eine maximale magnetische Flussänderung durch die Spule mit einer minimalen Bewegung des Kerns und damit einen hohen Wirkungsgrad.
Als mechanischer Energiespeicher dient eine Blattfeder. Wird die Feder zunehmend gebogen, speichert diese solange mechanische Energie, bis die magnetischen Selbsthaltungskräfte von etwa 3,5 N (Newton) den U-Kern nicht mehr in seiner Position halten können und er in seine zweite Position klappt. Durch den schlagartigen Wechsel des Magnetfelds wird ein Spannungspuls in der Induktionsspule erzeugt. Jede Betätigung liefert einen kleinen elektrischen Impuls, der sofort für den kurzzeitigen Betrieb elektronischer Schaltungen genutzt wer-den kann.
Der leichtgängige Energiewandler hat eine Bauhöhe von nur 7 mm bei 8 g Masse. So lässt er sich auch in kleinen, flachen Gehäusen mit kurzen Betätigungswegen integrieren. Mit einer Energiemenge von 120 µWs bei einer stabilisierten Spannung von zwei V kann jede Betäti-gung drei Funktelegramme betreiben. Auch die Rückbewegung liefert wieder einen Energiepuls und erlaubt so das Aussenden von Start/Stop-Signalen, mit denen Funktionen wie Torsteuerung, Wechselschaltungen oder Dimmen umsetzbar sind. Die Geschwindigkeit des Umklappens bestimmt wesentlich die Energiemenge, die der Spule entnommen werden kann – und ist immer konstant, da die Feder den U-Kern stets ähnlich beschleunigt, unabhängig davon, wie schnell sie gespannt wurde.
Bei den maximal erlaubten Schaltwegen von 1,2 mm ermöglicht der Wandler mehr als 300.000 Schaltzyklen. Bei kürzeren Schaltwegen (ab 0,7 mm Federhub) sind deutlich mehr als eine Million Schaltzyklen typisch. Im Vergleich zu piezoelektrischen Wandlern in dieser Leistungsklasse ist der elektromechanische Generator deutlich robuster und liefert eine stabilere Energieausbeute.

 

Von Schaltern bis Sensoren

Über Federkontakte lässt sich ein batterieloses Funkmodul lötfrei mit dem eben beschriebenen Energiewandler verbinden und in passende Plastikgehäuse einrasten. Der Energiewandler kontaktiert die Platine über goldbeschichtete Kontaktfedern, die mögliche Montagetoleranzen ausgleichen. Durch diese einfache Montage und die geringen Abmessungen ist der mechanische Energiewandler besonders vielseitig und eignet sich für Schalter in verschiedenen Größen und für unterschiedliche Funktionen. Dazu gehören Lichtschalter, Steuerungsschalter, Busstopptasten (Bild 2) oder auch Industrieschalter. Zudem gibt es Warnsensoren, die über Quellscheiben den Wandler und damit ein Funksignal auslösen, sobald Wasser oder andere Flüssigkeiten diese aufquellen lassen.

Aktuelle Weiterentwicklungen der Technologie versuchen, die Bewegung von strömenden Gasen und Flüssigkeiten zu nutzen. Damit könnte kinetische Energie künftig auch in breiter Anwendung für das Messen von Wasser- oder Ölverbräuchen genutzt werden.