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Energy Harvesting: Stromversorgungs-IC mit 300 nA Stromaufnahme

Der Reiz an Energy-Harvesting-Systemen ist, dass elektronische Schaltungen an Orten eingesetzt werden können, an welchen keine Netzspannung zur Verfügung steht und auch keine Batterien gewechselt werden sollen. Anwendungen gibt es bereits viele. Hier Details zur Funktionsvielfalt eines neuen Stromversorgungs-/Wandler-Bausteins.

Neuer Stromversorgungs-Bausteins ADP5090. Bildquelle: © Elektronik Power
Neuer Stromversorgungs-Bausteins ADP5090.

Eine der gebräuchlichsten Anwendungen für Energy Harvesting ist der solarbetriebene Taschenrechner auf dem Schreibtisch, denn das Wechseln einer Taschenrechnerbatterie ist heutzutage eher unüblich. Neuere Anwendungen sind besonders im Bereich von Sensoren zu finden: Beispielsweise sollen in Gebäuden Temperatur, Helligkeit, Luftfeuchtigkeit usw. gemessen werden, im Außenbereich möchte man durch verteilte Sensoren erkennen können, ob Bauwerke wie Brücken noch zuverlässig tragen oder ob sich ein Waldbrand ausbreitet. Die Verbreitung solcher Sensoren in verschiedenen Anwendungen nimmt stetig zu. All diese Sensoren sollen möglichst ohne Batterie auskommen, da ein Wechsel dieser Energiequelle zu aufwendig ist. Energy Harvesting, also das Ernten von Energie aus der Umgebung, bietet sich als elegante Lösung an.

Unterschiedliche elektrische Energiequellen

Es gibt viele Arten des Erntens von Energie. Die am häufigsten verwendete ist die Photovoltaik. Dabei wird Licht in unterschiedlichen Wellenlängen in Strom umgewandelt. Besonders im Außenbereich mit Tageslicht kann bereits mit kleinen Solarzellen viel Energie gewonnen werden. Im Innenbereich, besonders bei einer Raumbeleuchtung ohne Tageslicht, ist das Gewinnen von Energie mit Licht bereits viel schwieriger. Auf diesen Bereich haben sich einige Hersteller von Solarzellen spezialisiert. Die sogenannten »Indoor PV Modules«, welche durch ihre Technologie für den Betrieb im Innenbereich bei sehr kleinen Leistungen ausgelegt sind, haben eine rasante Entwicklung zu höheren Leistungen bei kleiner Fläche gezeigt.

Eine weitere Energiequelle ist der thermoelektrische Generator (TEG). Hier kann mit einem PN-Halbleiter-Übergang durch Temperaturunterschiede ein Stromfluss erzeugt werden. Eine solche Energiequelle ist besonders bei verteilten Sensoren im Heizungsbereich vorteilhaft. Hier kann der Temperaturunterschied von einer heißen Rohrleitung und der Umgebungstemperatur ausgenutzt werden.

Bild 1. Überblick über die Energiedimension von verschiedenen elektrischen Energiequellen und Verbrauchern. Bildquelle: © Elektronik Power
Bild 1. Überblick über die Energiedimension von verschiedenen elektrischen Energiequellen und Verbrauchern.

Im Weiteren gibt es noch elektromagnetische Energiequellen. Diese werden bereits in elektrischen Armbanduhren eingesetzt, wo durch die Bewegung des Handgelenks ein Kondensator geladen wird. Piezoelektrische Energiequellen sind aus den üblichen elektrischen Feuerzeugen bekannt, bei denen ein Zündfunke durch Druck auf ein piezoelektrisches Material (Kristall) erzeugt wird.

Es gibt also unterschiedliche Energiequellen, welche für unsere elektronischen Systeme genutzt werden können. Welche Energie kann aus den unterschiedlichen Quellen geschöpft werden? Bild 1 zeigt einen Überblick über die Energiedimension von verschiedenen elektrischen Energiequellen und Verbrauchern. In der Mitte ist eine logarithmische Leistungsachse zu sehen. Links sind unterschiedliche Energiequellen bei einer Baugröße von 10 cm² eingetragen. Rechts sind unterschiedliche Stromverbraucher als Beispiele aufgeführt. Die Kunst von Energy-Harvesting-Systemen ist es nun, ein Gleichgewicht zwischen Energiegewinnung durch das Harvesting-Element und Energieaufnahme durch den Verbraucher (z.B. kleiner Funk-Transceiver, Sensor-Auswertung usw.) herzustellen.

Unterschiedliche elektrische Energienutzer

Je nach Anwendung werden unterschiedliche Elektroniksysteme mit Strom versorgt. Der relativ hohe Strombedarf von traditionellen elektronischen Schaltungen hat den Einsatz von Netztransformatoren und Gleichrichtern am Stromnetz oder von Batterien in vielen portablen Anwendungen erzwungen. Heute sind jedoch bereits viele integrierte Schaltungen erhältlich, welche mit extrem niedriger Stromaufnahme glänzen können, so dass immer mehr Systeme auf Energy Harvesting als Energiequelle setzen. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, eine elektronische Schaltung im Pulsbetrieb arbeiten zu lassen, sie also nur für kurze Zeit zu aktivieren und dann in längere Schlafpausen zu schicken. Dies kann in vielen Anwendungen gut funktionieren. Hier ist es aber sehr wichtig, eine Stromversorgung zu betreiben, welche kontinuierlich und sehr effizient Energie ernten kann.