Low Power Design
Entwurf von energiesparenden Mikrocontroller-Schaltungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Energiesparen bei Displays, Relais und HF-Bausteinen
Aktive Displays wie TFT und OLED verbieten sich aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Stromaufnahme in vielen Fällen. Immerhin lässt sich durch bedarfsweises Ein- bzw. Hell-Schalten eine gewisse Einsparung erreichen. Um Größenordnungen sparsamer sind passive LC-Displays, gegebenenfalls mit zuschaltbarer Hintergrundbeleuchtung. Diese Option setzt allerdings transflektive Displays voraus, die im Vergleich zu reflektiven im passiven Modus kontrastärmer sind.
Xmega- und SAM4L-Controller gibt es auch mit besonders sparsamen, integrierten LCD-Controllern. Elektrophoretische Displays (E-Paper) und die neuen bistabilen LCDs halten den letzten Bildinhalt auch ohne Stromaufnahme bis zum nächsten Bildwechsel. Während des Wechsels benötigen E-Paper mehr Energie als LCDs, auch gibt es noch Einschränkungen bei Geschwindigkeit und Temperaturbereich. Für Etiketten, Türschilder etc. sind sie jedoch hervorragend geeignet.
Vorsicht ist geboten bei Displays für Warn- oder Freigabemeldungen, da bei Stromausfall Falschanzeigen möglich sind. Die Ansteuerung elektrophoretischer Displays ist komplex und erfordert spezielle Ansteuerchips oder damit bereits ausgestattete Controller. Interessant ist der Ansatz, solche Schilder ganz ohne eigene Stromquelle aufzubauen und den anzuzeigenden Text via NFC (Near Field Communication) über ein Smartphone zu übertragen. Entsprechende Bausteine wie der AS3953 von AMS bilden dabei nicht nur die Daten-Schnittstelle zwischen NFC-Feld und Display-Controller, sondern sie entziehen dem HF-Feld auch gleich die erforderliche Energie [5].
Beschränkt sich die Anzeige auf LEDs, so wählt man hocheffiziente Typen und wird diese möglichst nur kurz blinken oder aufblitzen lassen. In letzterem Fall kann mittels einer zusätzlichen Induktivität eine Spannungsanhebung bei gleichzeitiger Strombegrenzung erfolgen, so dass auch aus niedriger Batteriespannung ein Betrieb möglich ist, ohne Energie in einem Vorwiderstand zu verschwenden. Rote LEDs haben eine geringere Durchlassspannung als andersfarbige. Dagegen ist das menschliche Auge im grünen Bereich am empfindlichsten und im blauen am unempfindlichsten [8].
Jobangebote+ passend zum Thema
Zur akustischen Signalisierung bieten sich Piezo-Signalgeber an. Der Betrieb auf der Eigenresonanzfrequenz bewirkt besonders hohe Lautstärke. Hier kann eine relativ große Bauform vorteilhaft sein, damit diese Resonanz in einem auch von älteren Menschen gut hörbaren, nicht zu hohen Frequenzbereich liegt.
Bei Standardrelais kann mittels PWM der Haltestrom nach dem Umschalten abgesenkt werden. Ähnliche Techniken erlauben Ersparnisse bei Schrittmotoren im Haltebetrieb. Bistabile Relais benötigen nur während des Umschaltens kurze Stromimpulse. Sie bieten sich beispielsweise an, um bei netzbetriebenen Geräten eine vollständige Trennung vom Netz während der Standby-Zeiten zu erreichen. Dies kann ohne Einbuße an Komfort geschehen, wenn wiederum periodisch betriebene und hinsichtlich der Stromaufnahme optimierte Fernbedienungsempfänger, Alarmsensoren, Schnittstellenmodule und andere Schaltungen während der Standby-Phase aus einem Kondensator gespeist werden. Sollte dessen Ladung zur Neige gehen, kann das Netzteil zur Aufladung kurz aktiviert werden.
Durch eine ähnliche Schaltung konnte der Verfasser den Standby-Verbrauch seiner Telefon-/Fax-Kombination einer bekannten Kaufhauskette bereits vor ca. zwei Jahrzehnten von beachtlichen 10 W auf einen unvermeidlichen Bruchteil senken. Dieser ergab sich aus dem Ruhestrom der Telefonleitung, deren Klingelspannung zur Aktivierung der Schaltung diente. Der Mehraufwand solcher Schaltungen – die sich heute auch ohne mechanische Komponenten sehr effizient bauen lassen – wird durch die Kostenersparnis bei der Stromaufnahme schnell amortisiert, wenn sie von vornherein bei der Gerätekonstruktion vorgesehen werden. Hier ist noch Aufklärungsarbeit zu leisten. Es ist allerdings aus Sicherheitsgründen in manchen Fällen darauf zu achten, dass auch bei Stromausfall ein zuverlässiges Abschalten des Geräts gewährleistet bleibt.
LF/HF-Bausteine oder entsprechende Fertigmodule wie „active Tags“ werden im Bereich Zugangskontrolle, Personenüberwachung, Diebstahlschutz u.v.m. eingesetzt. Oft ist ein extrem sparsamer Wake-up Receiver für das Langwellenband mit einem Transceiver für Hochfrequenz kombiniert [2]. Gerade unter den Wake-up Receivern findet man Ausführungen, die im aktiven empfangsbereiten Zustand nur wenige µA aufnehmen. Allerdings gibt es erhebliche Unterschiede bei der Empfindlichkeit der Empfänger und anderen Merkmalen mit Einfluss auf die Energiebilanz. Auf der HF-Seite beeinflussen u.a. Frequenzbereich, Antenne und verwendetes Protokoll in hohem Maße den Energiebedarf [6]. Single-Chip-Lösungen, die Transceiver und MCU in einem Gehäuse enthalten, sind besonders platzsparend. Andererseits ist man bei ihnen auf wenige Controller-Derivate festgelegt und häufig ist auch das Link-Budget (ein Maß für die Qualität der HF-Eigenschaften) etwas schlechter als bei getrennten Bausteinen.
- Entwurf von energiesparenden Mikrocontroller-Schaltungen
- Energiesparen bei Displays, Relais und HF-Bausteinen
- Controller-Auswahl
- Besonderheiten bei AVR-Mikrocontrollern
