Energie für eingebettete Systeme LEDs und Photodioden als Energy Harvester

Kostengünstige Alternativen zu Energy Harvesting
Kostengünstige Mikrogeneratoren für das Energy Harvesting

Obwohl Energy Harvesting in der Elektronikbranche schon seit Jahren bekannt ist, stockt seine weitreichende Anwendung. Ein Grund dafür ist der Preis für den Harvester (Sammler) und die zusätzlich nötige Elektronik. LEDs und Photodioden könnten eine kostengünstige ­Alternative zu Solarzellen sein.

Im Bereich Energy Harvesting wird schon seit mehreren Jahren geforscht und entwickelt. Trotz Versprechungen betreffend Energieautonomie in Funksystemen hat es weniger Akzeptanz als erwartet erreicht. Ein Grund dafür sind die Kosten der Produkte mit integriertem Energy Harvester gegenüber solchen mit traditioneller Batterie. Denn ein essenzieller Teil dieser Kosten kann auf den Harvester und die dazugehörige Elektronik zurückgeführt werden. Die Notwendigkeit eines speziellen Gehäuses und die nötige Anpassung der Produktion erhöhen die Kosten ebenfalls.

Bild 1 zeigt die typischen Blöcke, die sich in einem mit Energy Harvester, z.B. LED, Photodiode, betriebenen Funksystem befinden. Daraus ist ersichtlich, dass unmittelbar nach dem Energy Harvester mehrere in der Regel benötigte Elemente folgen – Blöcke 2, 3 und 4. Die Komplexität dieser Elemente ist abhängig von der Anwendung, sprich: welche Harvesting-Methode soll verwendet und für welche Last soll diese ausgelegt werden [1]. Eine Reduktion der Kosten jedes dieser Elemente ist unumgänglich, um ausreichend kostengünstig zu werden.

Nachfolgend werden Anwendungen betrachtet, bei denen genügend Licht vorhanden ist. In diesen Fällen ist die Solarzelle wohl die naheliegenste Wahl als Energy Harvester. Hier gibt es eine große Auswahl an verschiedenen Formen und Typen [2–5]. Einige Solarzellen eignen sich speziell für Innenanwendungen, andere sind bei Sonnenlicht besser geeignet. Generell gilt: je größer die Solarzelle, desto mehr Energie kann gewandelt werden. Größere Solarzellen sind aber auch teurer und normalerweise kosten Solarzellen auch mehr als traditionelle Batterien. In WPAN-Anwendungen sollen die Solarzellen dann auch möglichst klein sein. Aber gerade hier sind die Grenzen vorhanden, um gleichzeitig kostengünstig zu bleiben.

Es gibt Anwendungen, die sehr wenig Energie benötigen – Größenordnung: mehrere 10 µJ. Eine sehr kleine Solarzelle würde ausreichen. Die Leistungsanforderungen werden von wiederkehrenden Arbeitszyklen eines Embedded-Systems, aber auch von den Anforderungen der Last vorgegeben. Ersteres ist dann der Fall, wenn Sensorwerte einer Messung nicht sehr oft abgetastet werden müssen, z.B. Anwendungen, in denen sich Messwerte nur sehr träge ändern. Dies wäre bei einer kleinen Wetterstation im Garten der Fall. Hierbei kann es durchaus genügen, wenn alle 10 bis 15 Minuten neue Daten zur Verfügung stehen. Das könnte aber auch das Überwachen diverser Parameter im Büro, auf öffentlichen Plätzen oder in Industriehallen sein, wo genügend Licht vorhanden ist. In diesen Fällen wäre eine kleine Solarzelle optimal. Solche Solarzellen sind aber leider nicht in der gewünschten Preisklasse erhältlich. Als Alternative wurde nun versucht, LEDs und Photodioden als kostengünstige Energy Harvester zu verwenden, um Funksensoren mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Gebrauch von LEDs oder Photodioden hat folgende Vorteile:

  • LEDs sind sehr günstig verfügbar. Sie lassen sich auch in bestehenden Produktionslinien verarbeiten und eliminieren somit die Kosten, welche durch Verwendung spezieller Gehäuse und Montageprozesse anfallen würden. Diese beiden Faktoren machen das Funksensorsystem bezüglich des Preises wettbewerbsfähig – sofern genügend Licht vorhanden ist.
  • LEDs gibt es in sehr kleinen Ausführungen. Wenn nur wenige eingesetzt werden, können die Produkte sogar noch kleiner gestaltet werden, als wenn z.B. eine der populären CR2032-Flachzellen verwendet wird. Auch wenn Batterien viel mehr Energie zur Verfügung haben, ist diese zeitlich begrenzt. Eine LED hat dagegen eine wesentlich höhere Lebensdauer als eine Batterie.
  • Bei der Anwendung von Photodioden und einem passenden Spannungswandler (Aufwärtswandler) ist es möglich, auch ausreichend Energie für die Nacht in einem Kondensator oder Akku zu speichern.
  • Nicht zuletzt ist die Entsorgung von Batterien ein großes Problem, welches in den hier angesprochenen Anwendungen durch LEDs weitgehend eliminiert würde.

LEDs und Photodioden als Energiesammler

LEDs werden in einer überwältigenden Zahl gebraucht, um Licht zu produzieren. Die letzten Jahre haben auch einen stark zunehmenden Trend gezeigt, bei dem LEDs die traditionellen Lichtquellen ersetzen. Die Einführung von Gesetzen in gewissen Ländern, welche die Nutzung von LEDs begünstigen, hat diesem Trend zusätzlichen Aufschwung gegeben. Das Ergebnis daraus sind wichtige Entwicklungen, um die LEDs zu verbessern und folglich auch zu vergünstigen. Eine kurze Suche im Internet bringt schnell zum Vorschein, dass bei Bestellmengen über 100k der Preis pro LED unter 0,05 US-Dollar nichts Ungewöhnliches ist. Dieser Preis fällt weiter, wenn noch größere Mengen eingekauft werden. Um nun die Kosten einer CR2032-Batterie mit Batteriehalter zu überbieten, müssten schon sehr viele LEDs eingesetzt werden.

Der Aufbau einer LED erlaubt es, sie auch als Lichtsensor zu verwenden. Dabei haben LEDs in bestimmten Applikationen auch schon Photodioden ersetzt [6–13]. Die physikalischen Hintergründe werden in diversen Dokumentationen beschrieben [14]. Von der Möglichkeit, eine LED gleichzeitig als Lichtgeber und auch als Lichtsensor zu betreiben, wurde auch bereits berichtet [15]. Eine noch ungewöhnlichere Art ist es, die LED als Energy Harvester zu benutzen. Ist genügend Licht vorhanden, können LEDs auch dazu verwendet werden, sehr leistungsarme Schaltungen zu versorgen. Auch hierzu wurden bereits Berichte verfasst, in denen LEDs beispielsweise als eine Art RFID-Sensor fungieren [16]. Wird die LED als Sensor – und auch als Energielieferant – genutzt, so ist die Wellenlänge, auf welche die LED anspricht, kleiner als diejenige, die sie als Lichtquelle ausstrahlen würde. Zum Beispiel würde eine rot leuch­tende LED auf rotes, gelbes, grünes, nicht aber auf infrarotes Licht reagieren. Weil LEDs nur eine sehr kleine Menge an Energie liefern können, ist es sehr schwierig, genügend Energie für die folgende Nacht zusammenzutragen. Hier wären Photodioden besser geeignet. Am Markt sind viele geeignete Photodioden mit wirkungsvoller Fläche verfügbar [17]. Sie werden auch in größeren Mengen produziert, sind klein und in brauchbaren Gehäusen eingebaut – in jedem Fall aber teurer als LEDs.