Schwerpunkte

Alternative zu Batterien in IoT-Sensoren

Wartungsfrei und langlebig

03. November 2020, 10:39 Uhr   |  Von Tassilo Gernandt, Field Application Engineer bei Vishay Electronic

Wartungsfrei und langlebig
© Vishay

Durch die Kombination einer Silizium-Fotozelle mit Hybrid-Super-Kondensatoren der Enycap-Reihe lassen sich batterielose und damit wartungsfreie und langlebige IoT-Sensor-Lösungen realisieren.

Effektive Gewinnung, Transformation in gebräuchliche Spannungspegel und verlustfreie Speicherung, das sind die drei Herausforderungen beim Energy Harvesting. Mit der Kombination einer Fotozelle mit einem Hybrid-Super-Kondensator bietet Vishay nun eine Alternative zum klassischen Batterieeinsatz.

Durch photovoltaische Energiegewinnung (Energy Harvesting) in Verbindung mit einem Hybrid-Superkondensator setzt Vishay neue Maßstäbe in der IoT-Welt. Energy Harvesting ist dabei die Gewinnung von kleinen Energiemengen aus Umgebungsenergiequellen. Zu den Hauptproblemstellungen gehören dabei die effektive Gewinnung, effiziente Transformation in gebräuchliche Spannungspegel und die verlustfreie Speicherung.

Für Letztere bietet der Enycap-Kondensator von Vishay beste Eigenschaften – kleine Abmessungen, hohe Energiedichte, geringe Leckströme und noch nach 35.000 Tiefentladungen über 90 Prozent der Nennkapazität. Mithilfe solcher Energiequellen werden Sensoren komplett autark und sind deutlich länger als zehn Jahre wartungsfrei einsetzbar.

Erreichen lässt sich das vor Jahren in der IoT-Welt gesetzte ambitionierte Ziel von über zehn Jahren Verwendbarkeit nur dann, wenn alle Komponenten im Nanoampere-Design optimiert zum Einsatz kommen und mit geringsten Verlusten arbeiten. Hierzu zählen neben der mit einer Effizienz von 13 Prozent arbeitenden, 7,5 mm2 großen Silizium-Photozelle auch sehr gut isolierte MOSFETs, welche die Entladung des Enycap bei Dunkelheit verhindern. Eine Diode wie etwa die VSKY02300603 kann hier gute Dienste leisten, aber erst eine Back-to-Back-Isolierung durch MOSFETs wie etwa das MicroFoot (BGA) Si8819EDB oder das PowerPAK 0806 SiUD403ED erreichen Rückwärtsleckströme von 10 nA.

Jedoch bringt auch der beste Trennschalter keinen Vorteil, wenn die Selbstentladung des Speicherkondensators zu hoch ist. Ein besonderer Schwerpunkt bei der Entwicklung des Enycap lag deshalb darauf, die Selbstentladung so weit zu reduzieren, dass nach drei Monaten noch mehr als 80 Prozent der Energie verfügbar sind. Hierdurch lässt sich ein längerer Zeitraum mit nur wenig „geernteter“ Energie sehr gut überbrücken, und gleichzeitig hat der Sensor noch genug Energie, wenn er wirklich aktiver als sonst gebraucht wird, beispielsweise für Funkmeldungen ins 5G.

Vishay
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Blockdiagramm einer Enycap-basierten IoT-Sensor-Lösung

Industrie baut auf ISM-Funk + 5G

Viele Industrieanwendungen, wie zum Beispiel IIoT, M2M oder Intralogistik, bauen auf
diesem Anwendungsfall auf. Wenn es um die Statusmeldung einer Europalette, den Bewegungszustand einer Ware oder eine Prozessüberwachung geht, dann sieht das Anforderungsprofil an das IoT-Device häufig so aus: Schlafen mit niedrigstem Energieverbrauch – bis ein Alarmzustand eintritt. Dieser kann auch durch das falsche Handling der Europallette ausgelöst werden – etwa durch Fallenlassen oder unsanftes Abladen. Auch das Bewegen von Assets, die normal nicht bewegt werden sollten, würde als Fehlerfall abgespeichert oder per Funk übermittelt. Auch wenn dieser Fall erst nach Monaten oder Jahren eintreten kann, lautet die Anforderung an das IoT Device, dass noch genügend Energie vorhanden sein muss, um die geplante Aktion ausführen zu können. Alterung oder Drift dürfen die Funktion nicht beeinträchtigen.

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2. Enycap – ein Hybrid mit Vorteilen aus beiden Welten

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