Designbetrachtungen zu Energy Harvesting Energie für Sensoren »ernten«

Da immer mehr verlustleistungsarme Sensoren, Mikrocontroller und HF-Sender/Empfänger am Markt erscheinen, lassen sich drahtlose Sensornetzwerke immer öfter ausschließlich oder ergänzend mit energieerntenden Techniken (Energy Harvesting) versorgen. Extrem verlustleistungsarme drahtlose Protokolle finden eine breite Akzeptanz in der Industrie, und Standards sind gerade in der Entwicklung. Doch was muss ich beachten, um ein solches Sensornetzwerk zu entwickeln? Ein Zahlenbeispiel.

Sensornetzwerke, die von Netzanschlüssen oder Batterien unabhängig sind, steigern die Zuverlässigkeit, senken die Wartungskosten und verbessern die Sicherheit. Applikationen, die vor wenigen Jahren noch unvorstellbar waren, sind nun mit den energieerntenden Techniken möglich. Seit kurzem sind auch entsprechende Power-Management-Produkte verfügbar, um die schlecht zu handhabenden, intermittierenden und häufig sehr kleinen Leistungen von unterschiedlichen energieerntenden Wandlern oder Transducern (thermisch, photovoltaisch, piezoelektrisch, elektromagnetisch) in nutzbare Leistung für moderne Elektronik zu wandeln.

Um drahtlose Sensoren durch den Einsatz von energieerntenden Techniken teilweise oder ganz unabhängig zu machen, muss der Entwickler den oder die Energiewandler sowie die Power-Management-Bausteine sorgfältig auswählen.

Ein typischer drahtloser Sensorknoten ist in Bild 1 dargestellt. Das fehlende Glied in diesem System war bislang die Power-Management-Lösung. Die grundlegende Überlegung ist recht simpel: Wenn die durchschnittliche Ausgangsleistung des energieerntenden Bausteins den durchschnittlichen Verbrauch der Elektronik des drahtlosen Sensors übersteigt, kann das System vollkommen autark arbeiten.

Ausgehend von dieser Grundüberlegung ist es sinnvoll, zunächst eine kurze Machbarkeitsstudie durchzuführen. Diese zeigt rasch, ob die energieerntende Technik geeignet ist. Der erste Schritt besteht darin, zu entscheiden, wie oft Messungen durchgeführt und die Daten übertragen werden müssen. Dies wird als Messfrequenz F bezeichnet. Dann kann man bestimmen, wie viel Verarbeitungsleistung nötig ist, um die gewünschten Daten zu generieren, plus die Leistung für den HF-Sender/Empfänger und die Zeit, die nötig ist, um die Daten zu übertragen. Tabelle 1 zeigt die typischen Leistungsanforderungen für einen populären Mikrocontroller und eine HF-Verbindung.

Leistungsverbrauch
Strom im Betriebs-/Schlafmodus
Prozessor3 mA/500 nA
HF-Verbindung
20 mA bis 30 mA (für 1 ms bis 10 ms)
Tabelle 1: Üblicher Leistungsverbrauch von Mikrocontroller und Funkstrecke

Diese Leistungsanforderungen können von Hersteller zu Hersteller und der jeweiligen Applikation variieren. Es gibt viele Möglichkeiten, und sie lassen sich, basierend auf der Endanwendung, optimieren. Damit kann man den Arbeitstakt des Systems und seinen durchschnittlichen Leistungsbedarf berechnen. Der Arbeitstakt D des Systems ist definiert als Gleichung (1), wobei Tm die Messzeit, Tp die Übertragungszeit und Tt die Übertragungszeit sind.

D equal open parentheses T subscript m plus T subscript p plus T subscript t close parentheses times F

Der durchschnittliche Leistungsbedarf (Pavg) ist einfach die Gesamtleistung plus die Standby-Leistung, die aber üblicherweise vernachlässigbar klein ist (Gleichung (2)).

P subscript italic avg equal P times D plus P subscript italic stby almost equal to P times D

Beispiel Temperatursensor

Nehmen wir beispielsweise an, wir hätten die Aufgabe, einen autonomen Temperatursensor für den Innenbereich zu entwickeln. Dieser Sensor soll in einem großen Bürogebäude eingesetzt werden und gekoppelt mit Näherungssensoren feststellen können, ob ein Raum besetzt ist und die Temperatur entsprechend regeln. Der Einsatz eines solchen Sensors in einem großen Gebäude kann die jährlichen Kosten für Klimatisierung und Heizung deutlich senken.

Die Sensoren benötigen für 2 ms einen Strom von 500 nA bei 3,3 V, um die Temperatur zu messen und eine Person zu registrieren. Ein verlustleistungsarmer Mikrocontroller muss diese Daten weitere 5 ms bearbeiten. Dieser Controller benötigt 3 mA an 3,3 V, wenn er die Daten verarbeitet. Schließlich braucht die Funkstrecke 30 mA an 3,3 V, um die Daten zu übertragen. Die gewünschte Messfrequenz ist 0,2 Hz, also eine Messung alle fünf Sekunden. Damit beträgt der Arbeitstakt D gemäß obiger Formel 0,0074. Die im Betrieb aufgenommene Gesamtleistung berechnet sich mit Gleichung (3).

P equal open parentheses 3 comma 3 space V times 500 space italic nA close parentheses plus open parentheses 3 comma 3 space V times 3 space italic mA close parentheses plus open parentheses 3 comma 3 space V times 30 space italic mA close parentheses equal 108 comma 9 space italic mW

Damit ergibt sich die Durchschnittleistung Pavg gemäß Gleichung (2) zu 806 µW. Die durchschnittliche Leistung Pavg ist der Schlüsselparameter, der uns sagt, welche Art von energieerntenden Wandlern - wenn überhaupt - für dieses System geeignet ist. Tabelle 2 listet einige solcher Wandler mit ihren typischen durchschnittlichen Leistungsabgaben auf.

energieerntende Quelle
typische Energieausbeute
K
einzelne Solarzelle (innen/außen)
10 µW/cm2 bis 40 mW/cm2
0,6 bis 0,8
Vibrationen (piezoelektrisch)4 µW/cm2 bis 100 mW/cm20,8 bis 0,9
thermisch (TEGs)
25 µW/cm2 bis 10 mW/cm2
0,3 bis 0,5
Tabelle 2: Energiequellen und ihre Ausbeute

Die Spalte mit der Bezeichnung »K« ist eine Konstante der Leistungsumwandlung, die den Typ des Power-Management-Blocks berücksichtigt, der erforderlich ist, um die Wandlerenergie in eine nutzbare Spannung umzusetzen, in diesem Fall 3,3 V. Ein idealer Leistungswandler hat ein K = 1. Dieser Wert variiert mit dem Typ des verwendeten Transducers.

Allgemein ausgedrückt, ist K proportional zur Ausgangsspannung des Wandlers. Wandler mit sehr geringer Ausgangsspannung, wie TEGs (thermoelektrische Generatoren), benötigen eine extrem hohe Aufwärtswandlung und entsprechend hohe Eingangsströme. Demgegenüber tendiert K bei Wandlern mit sehr hohen Ausgangsspannungen (z.B. Piezoelemente) dazu, kleiner zu sein.

In diesem Beispiel kann man erkennen, dass die erforderliche durchschnittliche Leistung (Pavg) den oberen Bereich eines Piezoelements mit geeigneten Ausmaßen erreicht, aber innerhalb der Fähigkeiten von TEGs und photovoltaischen Wandlern (PV) oder Solarzellen liegt. Normalerweise diktiert die Systemumgebung die Auswahl des Wandlers. In unserem Beispiel können wir nicht von einer stets verfügbaren Lichtquelle ausgehen; Solarzellen sind also ungeeignet. Zudem befinden wir uns am oberen Ende dessen, was für Piezowandler praktikabel ist. Deshalb kommt in unserem Beispiel ein TEG zum Einsatz.

Dieser nutzt den Seebeck-Effekt, um eine Spannung an ihren Anschlüssen zu generieren, wenn diese einem Temperaturunterschied ausgesetzt sind (Bild 2). Um unser Beispiel weiterzuführen, nehmen wir an, dass ein 50 mm2 großer TEG ausgewählt wird. Eine Seite des TEG wird auf ein Heizungsrohr in der Decke montiert, die andere Seite ist der Temperatur der Raumluft ausgesetzt.

Da derartige Wandler einen sehr kleinen thermischen Widerstand haben, ist es häufig eine Herausforderung, einen brauchbaren Temperaturunterschied zu erzeugen, sodass die Seite mit der Raumtemperatur oft mit einem Kühlkörper ausgestattet wird. Messungen haben ergeben, dass die Oberfläche des Heizungsrohrs im Winter durch das Heizen durchschnittlich +38 °C und +12 °C im Sommer durch das Kühlen eine durchschnittliche Raumtemperatur von +25 °C hat. Sorgfältige Messungen ergaben, dass der Temperaturunterschied am TEG ungefähr ±10 K beträgt, wenn er mit einem Kühlkörper auf das Heizungsrohr montiert ist.

Aus dem Datenblatt des Herstellers lässt sich ablesen, dass die Ausgangsspannung des TEGs bei einem Temperaturunterschied von 10 K bei 180 mV liegt. Der Ausgangswiderstand Rout des TEGs ist 2,5 Ω. Die maximal verfügbare Leistung für den Verbraucher ist dann vorhanden, wenn der Ausgangswiderstand des TEGs dem Eingangswiderstand des Leistungswandlers (oder Verbrauchers) entspricht. Angenommen, unsere Power-Management-Schaltung hat einen Eingangswiderstand nahe an 2,5 Ω, dann berechnet sich die maximal für den Leistungswandlereingang verfügbare Leistung Pmax aus Gleichung (4).

P subscript italic max equal fraction numerator U subscript 0 to the power of 2 over denominator R subscript italic out times 4 end fraction equal fraction numerator open parentheses 180 space italic mV close parentheses to the power of 2 over denominator 2 comma 5 space italic capital omega times 4 end fraction equal 3 comma 24 space italic mW

Die Konstante K unseres Leistungswandlers liegt bei 0,4, sodass die gesamte verfügbare Leistung für den 3,3-V-Ausgang des Sensors 3,24 mW · 0,4 = 1,3 mW beträgt. Da dieser Wert deutlich über der vorher berechneten Pavg von 806 µW liegt, lässt sich genügend Energie für den Betrieb gewinnen.