Energy Harvesting Funksensoren versorgen

Durch neue Energy-Harvesting-Techniken lässt sich elektrische Energie aus unterschiedlichen Quellen gewinnen. Dabei ist weniger der Wirkungsgrad der Wandlerschaltungen wichtig als vielmehr der Betrag der durchschnittlich geernteten, zur Verfügung stehende Energie, um die Applikation zu speisen.

von Tony Armstrong, Director of Product Marketing bei Linear Technology.

Auf der Welt gibt es genügend Umgebungsenergie. Neben Solarzellen und Windgeneratoren lässt sich elektrische Energie auch mithilfe von thermoelektrischen Generatoren (Wärme), Piezoelementen (mechanische Schwingungen) und galvanischen Elementen (Feuchtigkeit) gewinnen. Dies macht abgesetzte Sensoren möglich, oder es können Speicher wie Kondensatoren oder Dünnschichtbatterien aufgeladen werden, sodass sich Mikroprozessoren oder Transmitter in abgelegenen Orten mit lokalen Quellen versorgen lassen.

Dennoch gibt es ein unteres Ende im Leistungsspektrum, wo die Nanopower-Wandlung in Funksensornetzen (Wireless Sensor Networks; WSNs) und in Sensoren mehr und mehr verwendet wird und sich somit die Notwendigkeit für Leistungswandler-ICs ergibt, die an geringen Pegeln bei geringen Strömen arbeiten. Oft sind es nur zehntel Milliwatt an Leistung und Nanoampere an Strom. Jedoch sind solche Wandler, einschließlich Batterielader, die im Bereich von unter einem Mikroampere arbeiten, extrem selten.

Die generellen Anforderungen an die Leistung der ICs für solche Applikationen sind folgende:

  • niedrige Standby-Ruheströme – typisch kleiner 6 µA bis hinunter zu 450 nA;
  • niedrige Start-up-Spannungen – hinunter bis 20 mV;
  • Eignung für hohe Eingangsspannung – bis zu 34 V kontinuierlich und für Transienten bis 40 V;
  • Eignung für Wechselspannung am Eingang;
  • Mehrfachausgang und autonomes System-Powermanagement;
  • Gewinnen von Energie aus kleinen Temperaturänderungen von nur 1 K;
  • MPPC (Maximum Power Point Control) für Solarquellen;
  • kompakte Lösung mit minimalen externen Komponenten.

Wie viel Energie ist nötig?

WSNs sind grundsätzlich selbstversorgte Systeme aus Transducern zur Wandlung der Umgebungsenergie in elektrische Signale, normal gefolgt von einem DC/DC-Wandler und einem Managementsystem, um die nachfolgende Elektronik mit der richtigen Spannung und dem richtigen Strom zu versorgen. Diese Elektronik besteht meist aus einem Mikrocontroller, einem Sensor und einem Transceiver.

Bei der Einrichtung eines Funksensorknotens ist zu überlegen: Wie viel Energie wird für den Betrieb benötigt? Konzeptionell eine einfache Sache, in der Realität jedoch etwas schwieriger wegen einiger Faktoren. Wie oft werden Daten ausgelesen? Oder noch wichtiger, wie groß sind die Datenpakete und wie viel Leistung wird benötigt, um sie zu senden? Der Transceiver benötigt etwa die Hälfte der Energie eines Systems für eine Sensorabfrage mit nachfolgender Übertragung. Viele Faktoren beeinflussen die Verbrauchscharakteristik der geernteten Energie.

Die von einer Energy-Harvesting-Quelle gelieferte Energie hängt davon ab, wie lang diese Umgebungsenergiequelle verfügbar ist. Deshalb ist der primäre Parameter beim Vergleich von passenden Quellen die Leistungsdichte, nicht die Energiedichte. Energy-Harvesting liefert generell niedrige, veränderliche und nicht vorhersagbare Pegel an Leistung, deshalb wird oft eine hybride Struktur verwendet, welche die Energieernte mit einem sekundären Speicher verbindet.

Die Energy-Harvesting-Quelle ist dabei die vorrangige Quelle im System, da sie unbegrenzt Energie liefert mit geringer Leistung. Der sekundäre Speicher – eine Batterie oder ein Kondensator – liefert wenn erforderlich die größere Leistung, speichert aber weniger Energie und muss ständig vom Energieerntesystem geladen werden. Steht keine Umgebungsenergie zur Verfügung, springt der sekundäre Speicher ein und versorgt das WSN. Aus Sicht des Entwicklers steigt die Komplexität, da er überlegen muss, wie viel Energie im Sekundärspeicher vorhanden sein muss, um bei Ausfall der Umgebungsenergiequelle den Betrieb aufrechtzuerhalten.