Messtechnik
Energie- und Leistungsmessung an Energy-Harvesting-Anwendungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Messkonzept mit hoher Dynamik
Um mit höherer Auflösung zu messen, hat Agilent in seinen zwei neuen Zwei-Quadranten-Strom-/Spannungsquellen mit Messeinheiten (Source Measure Units, SMU) N6781A und N6782A eine automatische Messbereichsumschaltung integriert. Die patentierte „Seamless Ranging“-Technik erkennt automatisch den geeigneten Messbereich und schaltet auch sofort und ohne Unterbrechung in diesen um. Damit ist eine bisher unerreichte Vertikalauflösung möglich - 28 bit mit einer Zeitauflösung von 5 µs -, die es erlaubt, die dynamische Stromaufnahme eines Funksensorknotens mit der erforderlichen hohen Genauigkeit zu messen.
In Verbindung mit dem DC-Leistungsanalysator N6705B und der Steuer-/Analyse-Software 14585A ermöglicht die N6781A die Erfassung von Strom, Spannung und Leistung in einer Oszilloskop-Darstellung. Auf den aufgezeichneten Spuren lassen sich grafische Marker positionieren, mit deren Hilfe viele Werte einschließlich der Energie (Wh oder J) über definierte Zeitfenster betrachtet werden können. Ist erst einmal ermittelt, wieviel Leistung eine Schaltung braucht, kann im nächsten Schritt eine passende Energiequelle konstruiert werden.
Energy Harvesting in einem Funk-Lichtschalter
Drückt man auf den Funk-Lichtschalter, so betätigt die Schaltwippe einen elektromagnetischen Stromerzeuger. Der Lichtschalter kann somit völlig frei an der Wand positioniert werden, auch dort, wo das Verlegen von Kabeln nicht möglich oder aufwendig wäre.
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Aus der Funktion des Funk-Lichtschalters ergeben sich folgende Probleme beim Messen:
- Energie wird erst bei physikalischer Bewegung erzeugt.
- Die Schaltung braucht ihre Spitzenleistung ab Beginn des Tastendrucks bis zum Ende der Sendephase.
- Der Funk-Lichtschalter muss so viel Energie speichern, dass er über diese Zeit hinweg betrieben werden kann. Nur wenige Millisekunden dauert der ganze Sendevorgang. Der Funk-Lichtschalter arbeitet nur, wenn Energie zur Verfügung steht; einen Schlafmodus gibt es nicht. Eine spezielle Herausforderung liegt darin, dass der Lichtschalter in kurzer Zeit betriebsbereit sein muss.
Wieviel Energie wird benötigt?
Die Messung der vom Funk-Lichtschalter benötigten Energie ist mit den SMUs N6781A und N6715B von Agilent ganz einfach. Beide Messgeräte sind Stromquellen. Ihr arbiträrer Signalgenerator erzeugt einen Spannungspuls, der das Testobjekt aktiviert. Für die Messung des in die Schaltung fließenden Stromes schaltet die nahtlose Messbereichswahl in den Messbereich, mit dem die genaueste Strommessung möglich ist.
Werden die Marker auf dem oszilloskopähnlichen Bildschirm der SMU entsprechend positioniert und steht die Software des 14585A auf „Energiemessung“, so kann direkt abgelesen werden, wieviele µJ Energie von der Aktivierung bis zum Senden des Datentelegramms benötigt werden. Der Funk-Lichtschalter braucht etwa 80 µJ (Bild 2, 3). Soviel Energie muss der Energy Harvester also mindestens bereitstellen.
Wenn der am besten passende Energy Harvester seine Energie in einem schmalen Einzelimpuls liefert, muss die Energie zwischengespeichert werden, z.B. in einem Kondensator.
Um die korrekte Funktion des Energy Harvester zu verifizieren und um zu prüfen, ob er den Anforderungen entspricht, wird der Energy Harvester mit Beschaltung (Gleichrichter und Kondensator) an die SMU angeschlossen.
Die SMU arbeitet in diesem Fall als elektronische Last und wird so konfiguriert, einen konstanten Laststrom aufzunehmen (Konstantstromsenke).
Für den als Beispiel gewählten Funkschalter wird ein Laststrom von 20 mA eingestellt. Die Messung wird von einer ansteigenden Flanke getriggert und die Messwerte im „Single Shot“-Modus erfasst (Bild 4).
- Energie- und Leistungsmessung an Energy-Harvesting-Anwendungen
- Messkonzept mit hoher Dynamik
- Test des ganzen Energy-Harvesting-Systems
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