Energy-Harvesting Fehlendes Glied gefunden

Der »LTC3108« von Linear Technology versorgt aus einem TEG (Peltierelement) eine Anwendung mit einem drahtlosen, abgesetzten Sensor.

Im Energy-Harvesting liegt ein großes Potenzial. Temperaturunterschiede, Vibrationen, Licht oder elektromagnetische Wellen eignen sich, um daraus Energie beispielsweise für drahtlose Sensorsysteme und Überwachungs-/ Steuerungssysteme zu »ernten«. Ein wesentliches Problem ist aber, dass solche Quellen nur eine sehr geringe Spannung erzeugen, wesentlich niedriger als die Flussspannung an einem pn-Übergang im Silizium von etwa 700 mV. Ein neues, resonantes Leistungswandler-IC erlaubt es, mit einer Eingangsspannung ab 20 mV zu arbeiten.

Überall, wohin man schaut, arbeiten die Ingenieure daran, nicht-traditionelle Energiequellen nutzbar zu machen. Höhere Sicherheit und schneller Zugriff, geringere Wartungskosten, höherer Wirkungsgrad und Systemflexibilität sind nur einige der Vorteile, die sich mit »geernteter« Energie, drahtlosen Sensorsystemen und Überwachungs-/Steuerungssystemen erreichen lassen. Die hohen Energiekosten, neue Gesetzgebungen und Umweltbetrachtungen haben die Nachfrage nach einem effizienteren Einsatz von Energie überall erhöht.

Ein inzwischen riesiges Portfolio von verlustleistungsarmen industriellen Sensoren und Controllern macht es nun möglich, auf alternative Energieerzeugung als primäre Energiequellen oder als zusätzliche Hilfsstromquelle der traditionellen Stromversorgung überzugehen. Im Idealfall eliminiert Energy-Harvesting eine Stromversorgung aus dem Netz oder aus Batterien.

Derartige Wandler können Elektrizität aus vor Ort verfügbaren physikalischen Quellen erzeugen, zum Beispiel Temperaturdifferenzen (thermoelektrische Generatoren oder Thermoketten), mechanische Schwingungen (piezoelektrische oder elektromechanische Bauteile) und Licht (photovoltaische Bausteine), um verschiedenste Applikationen mit Energie zu versorgen. Zahlreiche drahtlose Sensoren, abgesetzte, weit entfernte Monitore und andere verlustleistungsarme Anwendungen sind auf dem Weg, nahezu »verlustfreie « Systeme zu werden, die nur mehr geerntete Energie zum Betrieb benötigen (von manchen als »nano- Power« bezeichnet).

Kommerzielle Machbarkeit bewiesen

Obwohl das Konzept von Energy- Harvesting bereits seit einer Reihe von Jahren bekannt ist, war das Implementieren eines Systems in einer realen Umgebung bisher äußerst schwierig, komplex und kostenintensiv. Nichtsdestotrotz gibt es Beispiele für Märkte, in denen die Methode des Energieerntens bereits eingesetzt wird. Dazu zählen die Infrastruktur im Transportwesen, drahtlose medizinische Geräte, Reifendrucksensoren und natürlich die Gebäudeautomatisierung. Im letzteren Falle lassen sich bei Systemen wie Belegungssensoren (occupancy sensors), Thermostate und Lichtschalter die üblicherweise benötigte Stromversorgung oder Batterien eliminieren, stattdessen benutzt man ein mechanisches oder energieerntendes System.

Diese alternative Methode kann auch die Kosten für die routinemäßige Wartung senken und zusätzlich den Bedarf an Verdrahtung bei der Erstinstallation oder einem regelmäßigen Batteriewechsel in drahtlosen Applikationen beseitigen. Auf ähnliche Weise kann der Einsatz von Energy-Harvesting in einem drahtlosen Netzwerk jede beliebige Anzahl an Sensoren in einem Gebäude miteinander verbinden, und so den Aufwand für Heizen, Ventilation und Klimaanlage (HVAC) sowie die Beleuchtungskosten senken. Nicht benötigte Bereiche werden abgeschaltet, wenn sich niemand darin befindet.

Darüber hinaus sind die Kosten für die energieerntende Elektronik häufig niedriger als der Betrieb von Sensorverdrahtungen, sodass es einen klaren wirtschaftlichen Vorteil bei der Einführung dieser neuartigen Technik gibt. Bild 1 zeigt den typischen Aufbau eines Systems, das Energy-Harvesting als Energiequelle nutzt, und den Energiefluss. Üblicherweise besteht es aus der kostenfreien Energiequelle, zum Beispiel einem thermoelektrischen Generator (TEG) oder einer Thermokette, die mit einer wärmegenerierenden Quelle verbunden ist, beispielsweise einer HVAC-Leitung. Diese kleinen thermoelektrischen Bausteine können dann kleine Temperaturunterschiede in elektrische Energie umwandeln.

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Fehlendes Glied gefunden

Fehlendes Glied gefunden

Diese elektrische Energie kann anschließend eine energieerntende Schaltung (der zweite Block in Bild 1) wandeln, um damit nachfolgende Schaltungen mit Energie zu versorgen. Diese nachgeschaltete Elektronik besteht üblicherweise aus einem beliebigen Sensor, Analog/ Digital-Wandler und einem Mikrocontroller mit äußerst geringem Leistungsbedarf (der dritte Block in Bild 1).

Diese Komponenten können die geerntete Energie nun in Form eines elektrischen Stroms dazu nutzen, einen Sensor aufwecken, einen Wert auszulesen oder eine Messung durchzuführen und diese Daten dann zur Übertragung für einen drahtlosen Transceiver mit extrem geringenm Leistungsbedarf aufbereiten – dargestellt im vierten Block in der Schaltungskette von Bild 1. Jeder dieser Systemschaltungsblöcke in der Kette, mit der möglichen Ausnahme der Energiequelle selbst, hat seine ganz eigene Palette an Einschränkungen, die seinen wirtschaftlichen Einsatz bisher verhindert haben. Preiswerte Sensoren und Mikrocontroller mit extrem geringem Leistungsbedarf sind bereits seit geraumer Zeit erhältlich, es sind jedoch erst in den letzten Jahren Übertrager mit geringem Leistungsbedarf kommerziell verfügbar geworden.

Nichtsdestotrotz waren die Nachzügler in dieser Kette die energiegewinnende Schaltung und der Power-Manager. Bestehende Implementierungen des Power-Management- Blocks sind eine diskrete Konfiguration mit geringer Leistung, die üblicherweise aus 35 und mehr Komponenten aufgebaut ist. Solche Lösungen wandeln die Energie nur mit einem geringen Wirkungsgrad, und die Ruheströme sind recht hoch.

Beides führte dazu, dass im Endsystem Kompromisse bei der Performance einzugehen waren. Die geringe Wandlungseffizienz steigert den nötigen Zeitaufwand zum Einschalten des Systems (power-up), was wiederum das Zeitintervall zwischen dem Aufnehmen eines Sensorwertes und seiner Übertragung verlängert. Je höher der Ruhestrom ist, umso höher muss auch der Strom der energieerntenden Quelle sein, da sie zunächst den Betriebsstrom des Wandlers übersteigen muss, bevor die Quelle überhaupt eine Ausgangsleistung liefern kann. Und schließlich erfordert dies auch viel Erfahrung mit analogen Schaltnetzteilen – etwas, was nur sehr wenige beherrschen. Das »fehlende Glied« in der Kette ist also ein hoch integrierter Gleichspannungswandler, der überschüssige Energie aus einer Spannungsquelle mit extrem kleiner Eingangsspannung ernten und managen kann.

externe Schaltungen wie Sensoren oder Verstärker mit Strom versorgen, die keine energiesparende Schlaf- oder Abschaltmöglichkeit besitzen. Ein Beispiel dafür ist das Ein- und Ausschalten eines MOSFETs als Teil der Messschaltung innerhalb eines Gebäudethermostats. Der Kondensator am Pin Vstore kann einen sehr großen Wert besitzen (tausende von Mikrofarad oder gar Farad), um für eine gewisse Zeit Energie zu liefern, beispielsweise wenn die Eingangsleistung einbricht. Der Vstore-Ausgang kann dazu verwendet werden, einen großen Speicherkondensator oder eine wieder aufladbare Batterie zu laden, nachdem Vout in die Regelung übergegangen ist.

Ab diesem Zeitpunkt darf der Vstore- Ausgang bis auf die Vaux-Spannung laden, die auf 5,3 V fest eingestellt ist. Das Speicherelement an Vstore kann nicht nur dazu benutzt werden, um das System im Backup zu versorgen, sondern auch, um zusätzliche Energie an die Ausgänge Vout und Vout2 sowie den LDO zu liefern, wenn die Eingangsquelle nicht genügend Energie liefert. Ein Komparator (power good comparator) überwacht die Vout-Spannung, ob sie ausreichend ist. Wenn Vout auf 7% seiner geregelten Spannung geladen ist, geht der PGOODPin auf »high«. Wenn Vout über 9% von seiner geregelten Spannung abfällt, dann geht PGOOD auf »low«. Der PGOOD-Ausgang wurde dazu entwickelt, nur einen Mikroprozessor oder andere Chip-I/Os zu versorgen, und ist nicht dazu gedacht, eine höhere Stromlast wie etwa eine LED zu treiben.