Messtechnik Energie- und Leistungsmessung an Energy-Harvesting-Anwendungen

Mit Mikro-Energy-Harvestern können Funksensoren und Fernwirkgeräte ohne zusätzliche Energieversorgung, z.B. Batterien oder Netzanschluss, betrieben werden. Allerdings liefern solche Mikro-Generatoren nur wenig Leistung, so dass der Entwickler den Energiebedarf seines Systems besonders im Blick haben muss. Dabei helfen ihm Messgeräte, mit denen sich die dynamische Stromaufnahme von Low-Power-Schaltungen genau erfassen lässt.

Heute sind Sensoren, wie Thermometer oder Brandmelder, meist über Kabel angeschlossen. In den intelligenten Häusern der Zukunft sollen eine Menge Sensoren für Feuchtigkeit, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ozon, Feuer, Beleuchtung, Druck, Anwesenheit usw. für Komfort und Sicherheit der Bewohner sorgen. Eine kabelgebundene Installation ist hierbei ein großes Hindernis. In alten Häusern lassen sie sich vielleicht überhaupt nicht mehr nachrüsten, in neuen Häusern erfordert die Sensorinstallation eine präzise Planung. Auf jeden Fall ist eine kabelgebundene Installation aufwendig und teuer. Sind die Sensoren einmal installiert, dann sind spätere Änderungen vielfach nicht mehr möglich. Kabel sind heute der Haupthinderungsgrund für eine großflächige Verbreitung von Sensoren.

Sensor-Aktor-Funknetzwerke

Mit Funksensoren und Funkaktoren sieht das besser aus: Bei ihnen wird die Information per Funk übertragen. Aber woher bekommen diese Geräte ihren Strom? Zunächst mag man hierbei an Batterien denken. Das funktioniert ganz gut, aber alle ein, zwei Jahre muss die Batterie ausgetauscht werden. Sind nur vier oder fünf Sensoren im Haus verteilt und leicht zu erreichen, ist das noch kein Problem. Wenn viele Sensoren oder Geräte eingesetzt werden, etwa in großen Häusern oder bei gewerblicher bzw. industrieller Nutzung, wird der Batteriewechsel jedoch schnell kostenintensiv.

Strom aus der Umwelt

Man kann Funksensoren und Funksender aber auch aus der Umwelt mit Strom versorgen. Dazu gibt es mittlerweile eine ganze Reihe von Möglichkeiten, etwa Solarzellen, elektromagnetische Wandler, Piezo- oder Peltierelemente. Typischerweise besteht ein solcher Funksensor aus folgenden Baugruppen: Energiewandler, Energieverwaltung, dem eigentlichen Sensor, Mikrocontroller und Funksender.

Doch wie viel Strom braucht das System? - Zunächst gilt es, den Energiebedarf zu ermitteln und möglichst zu reduzieren. Die gängigste Methode zum Energiesparen besteht darin, den Sender intermittierend arbeiten zu lassen. Den größten Teil der Zeit verbringt das System dann in einem Energiesparmodus. In Abständen wacht es auf, beginnt zu arbeiten und sendet seine Daten. Ein Fernthermometer könnte beispielsweise einmal pro Minute oder ferngesteuert auf Tastendruck aufwachen. In dieser Betriebsart aktiviert der Mikrocontroller den Sensor in Intervallen, führt eine Messung durch, verpackt die Messdaten zu einem Datentelegramm und sendet es. Danach fällt das Gerät wieder in den Schlafmodus. Übliche Stromaufnahmewerte in solchen Energiespar-Betriebsarten liegen in der Größenordnung von einigen hundert nA oder wenigen µA. Die Funkübertragung erfolgt in Form eines kurzen Burst, meist in einem der ISM-Frequenzbänder. Der Sender braucht nur wenige Volt Betriebsspannung, aber normalerweise 10 mA bis 100 mA Strom.

Solche Schaltungen haben also meist drei Betriebszustände:Schlafen, Normalbetrieb und Senden. Um den Energiebedarf zu quantifizieren, gilt es, die Leistungsaufnahme in jeder dieser Betriebsarten zu kennen und dazu die Zeit, die sich die Schaltung in der jeweiligen Betriebsart befindet. Typischerweise gelten folgende Zustände:

  • Schlafen: In dieser Betriebsart braucht die Schaltung am wenigsten Strom. Weil sie sich den größten Teil der Zeit in dieser Betriebsart befindet, muss die Stromaufnahme so gering wie nur irgend möglich sein.
  • Normalbetrieb: Der Mikrocontroller erfasst aktiv Daten vom Sensor, verarbeitet die Sensordaten und schickt Daten zum Sender. Um Energie zu sparen, muss sichergestellt werden, dass sich der Mikrocontroller möglichst kurz in dieser Betriebsart befindet und danach schnell wieder schläft. Der Strombedarf in der aktiven Phase liegt um den Faktor 100 bis 1.000 über dem Strombedarf im Tiefschlaf. Ein häufiger Grund für zu hohe Energieaufnahme eines Funksensors liegt darin, dass die Steuer-Software die gesamte Schaltung zu lange aktiv hält.
  • Senden: Nach der eigentlichen Messung und der Verarbeitung der Messdaten werden diese gesendet. Für den Betrieb des Senders - und manchmal eines Leistungsverstärkers - wird der höchste Strom benötigt, typischerweise 10 mA bis 100 mA. Aus diesem Grund ist es wichtig, diese Zeit auf ein Minimum zu beschränken und jeden unnötigen Energieverlust zu vermeiden. Die Stromaufnahme beim Senden ist um den Faktor eine Million höher als im Schlafmodus.

Bezüglich der Stromaufnahme spielt die richtige Kommunikationsstrategie eine entscheidende Rolle. Gegenüber Standardprotokollen sind proprietäre Kommunikationsprotokolle oft effizienter, denn sie arbeiten mit kurzen Meldungen und somit kurzen Sendezeiten. Die Datenpakete von Standardprotokollen, die für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt wurden, sind durch den vorgegebenen Datenrahmen in aller Regel länger.

Daraus ergeben sich folgende Anforderungen an die Strommessung (Bild 1):Strommessbereich von einigen hundert nA bis 100 mA.

  • Zeitauflösung von 100 µs bis in den ms-Bereich für die Ruhe- und Sendephasen.
  • Darstellung der Leistung in W, der Energieaufnahme in Wh oder bei Einzelmessungen besser in J (Ws).
  • Darstellung der zeitlichen Korrelation von Spannung, Stromstärke und Leistung.
  • Triggerung auf bestimmte Ereignisse.
  • Sicherer Betrieb des Testobjekts durch Einhaltung von Strom- und Spannungsgrenzwerten.

Am häufigsten wird für solche Messungen ein Oszilloskop in Verbindung mit einer Strommesszange verwendet. Hiermit lassen sich die Stromspitzen von einigen zig mA erfassen und auch das Timing dazu. Wenn die Messwerte sehr nah an die Minimalempfindlichkeit des Tastkopfes herankommen, ist er häufig zu nullen, damit die Messwerte reproduzierbar sind. Eine weitere Einschränkung ist die Vertikalauflösung des Oszilloskops. Das ist zugleich auch die größte Einschränkung: Was unterhalb des mA-Niveaus passiert, ist auf dem Oszilloskopschirm nicht zu sehen. Dies ist umso ärgerlicher, da sich die Schaltung den größten Teil der Zeit in einem Modus niedriger Stromaufnahme befindet.

Als Alternative zu Strommesszangen werden häufig Strommesswiderstände zusammen mit Operationsverstärkern eingesetzt. In diesem Fall reduziert allerdings die Spannung über dem Messwiderstand die Versorgungsspannung am Testobjekt. Wenn sich die Versorgungsspannung ohnehin am unteren Rand des Betriebsbereichs befindet, kann diese zusätzliche Spannungsreduktion zur Fehlfunktion führen. Außerdem verhindern Offsetspannung und Verstärkungsfehler, dass die erforderliche Genauigkeit im Messbereich von 100 nA bis 100 mA erreicht wird, einem Verhältnis von immerhin eins zu einer Million.

Natürlich könnten die Ströme mit einer modifizierten Firmware des Testobjekts, die die Betriebsart fest vorgibt, gemessen werden. Das würde allerdings bedeuten, dass später der fertige Sensorknoten mit einer anderen Firmware arbeiten würde als die getestete Schaltung. Somit könnten beispielsweise Fehler, die den Sensorknoten länger aktiv halten als nötig, nicht entdeckt werden - was zu einem höheren Energiebedarf führen würde als erwartet.

Für ein valides Ergebnis muss simultan sowohl die Hardware als auch die sie steuernde Software getestet werden. Eine letztlich niedrige Stromaufnahme ist das Ergebnis der Optimierung beider Bereiche.