Energy Harvesting Erntehelfer im Internet der Dinge

Das »Energy Harvesting« ist eine der höheren Künste der Elektronik und vor allem der Halbleiter- und Software-Technik. Maximale Wirkungsgrade, möglichst kleine Umwandlungs- und Speicherverluste und gekonnte Leistungsaufnahme-Minimierung mit »Sleep«-Betriebsarten sind die Herausforderungen. Die Spannungswandler- und Energie-Management-Bauelemente spielen dabei eine entscheidende Rolle.

drahtlose Sensoren, Bedienelemente für Gebäudeleittechnik oder industrielle Steuerungen, Wellness-Produkte oder Wearables zu versorgen, trägt durch reduzierte CO2-Emissionen zum Schutz der Umwelt bei, macht Batterien und Stromversorgungs-Leitungen sowie den damit verbundenen Material- und Zeitaufwand überflüssig und ermöglicht die Realisierung eines Drahtlos-Ökosystems für das Internet der Dinge. Es ist zu erwarten, dass in Zukunft einige Hundert Millionen solcher Geräte, die mit geringsten Mengen geernteter Energie arbeiten, in den unterschiedlichsten Bereichen installiert werden – von Büro- und Wohngebäuden über Hotels, Industrieanlagen und die Verkehrsinfrastruktur bis hin zu Elektrofahrzeugen. Nicht zu vergessen: Das Einsparen von Leitungsverlegungen durch Funkübertragung, beispielsweise im M2M-Sektor, schafft Mobilität bzw. Einsatz-Flexibilität und ist auch recht kostengünstig realisierbar.

Sehr interessante Beispiele für funktionierende Energy-Harvesting-Komplettlösungen im Rahmen der Gebäudeautomatisierung liefert die Firma EnOcean, deren Elemente wie zum Beispiel Lichtschalter aus Piezo-betriebenen Aktorik-Komponenten oder elektromagnetischen bzw. Licht- oder Thermo-Wandlern versorgt werden. Entsprechend stromsparend ausgelegte Sensoren, Wandler oder Funk-Trans­ceiver mit gleichzeitig auf Stromersparnis hin ausgerichteten Übertragungsprotokollen tun ein Übriges. Ein sehr aktiver Industriezweig hat sich in diesem Ökosystem etabliert. Die ZigBee Alliance mit ihren ebenfalls für die Gebäudeautomatisierung und allerlei „Smart“-Anwendungen (Smart Metering, Haustechnik) konzipierten Funkstandards und -protokollen und den damit arbeitenden Halbleiter- und Gerätefirmen ist ein gutes Beispiel dafür, wie innovativ im Sektor „Wireless Sensor-/Aktor-Netzwerke“ vorgegangen wird.

Die Halbleiterindustrie arbeitet in Erkenntnis all dieser Fakten natürlich ganz massiv an der Entwicklung neuer Bauelemente für das Energy Harvesting. Das betrifft sowohl die Harvester selbst, die aus der realen Umgebung elektrische Energie durch geeignete Umwandlung auf Basis physikalischer Effekte herausholen, aber massive Fortschritte und Neuentwicklungen gibt es auch bei den speziell auf derartige Applikationen zugeschnittenen Spannungswandlern bzw. Akku- oder Kondensator-Ladeschaltungen.

Vieles tut sich auch bei den Messwert-A/D- und D/A-Wandlern, Schnittstellen-Bauelementen, Speichern und natürlich bei den Funk-Transceivern. Geachtet wird dabei auf höchstmögliche Wirkungsgrade, so dass im Endeffekt eine elektronische Schaltung einschließlich Funkübertragung nur wenige μW bis höchstens mW in möglichst kurzen Zeitfenstern verbrauchen darf. Interessant dabei ist vor allem in Bezug auf die Datenprotokolle, dass einerseits mit geringstmöglichen Aktiv-Sendezeiten gearbeitet wird, dass aber andererseits auch die Fehlersicherheit durch abgestufte Wiederholungssequenzen bzw. Redundanz in den Protokollen sichergestellt sein muss. Ganz besonders wichtig sind in diesem Zusammenhang bei sämtlichen Halbleiterbauelementen die Ruhezeiten, also die bekannten Sleep-Betriebsarten, die ebenfalls in äußerst fein strukturierten Abstufungen in den Prozessor-, Sende- und Wandler-Stufen der hochintegrierten Komponenten realisiert werden.