Systemdesign / Energy-Harvesting

Temperaturgradienten effizient wandeln

24. Oktober 2018, 12:00 Uhr | Bruce Haug, Sr. Product Marketing Engineer, Analog Devices

Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Lastabgleich am Sensorknoten

Bild 12 zeigt eine typische drahtlose Sensoranwendung mit einem TEG. In diesem Beispiel ist eine Temperaturdifferenz von mindestens 2 °C am TEG verfügbar, so dass für die höchste Ausgangsleistung ein Übersetzungsverhältnis von 1:50 gewählt wurde. Dieser Transformator wird für Temperaturunterschiede im Bereich von 2 °C bis 10 °C empfohlen. Mit Hilfe des dargestellten TEGs (40 mm x 40 mm Fläche mit 1,25 Ω Widerstand) kann diese Schaltung den VOUT-Kondensator mit Temperaturdifferenzen von nur 2 °C starten und aufladen.

Bild 12: Kabellose Sensoranwendung, versorgt durch ein TEG
Bild 12: Kabellose Sensoranwendung, versorgt durch ein TEG
© Analog Devices

An den Eingangsklemmen des Umrichters befindet sich ein Entkoppelkondensator. Eine gute Entkopplung der Spannung vom TEG minimiert die Eingangswelligkeit, verbessert die Ausgangsleistung und ermöglicht die Inbetriebnahme bei geringstmöglicher Temperaturdifferenz. Im Beispiel Bild 12 versorgt der 2,2 V LDO-Ausgang den Mikrocontroller, während VOUT über die Pins VS1 und VS2 auf 3,3 V programmiert wurden, um den HF-Sender zu betreiben. VOUT (VOUT2) wird vom Mikrocontroller gesteuert, um die 3,3-V-Sensoren nur bei Bedarf zu versorgen.

Der PGOOD-Ausgang informiert den Mikrocontroller darüber, dass VOUT 93% seines Regelwertes erreicht hat. Um den Betrieb auch ohne Eingangsspannung aufrechtzuerhalten, wird im Hintergrund ein 0,1 F Speicherkondensator über den VSTORE-Pin geladen. Dieser Kondensator kann bis zur 5,25 V Klemmenspannung des VAUX-Shunt-Reglers aufgeladen werden. Bei Ausfall der Eingangsspannungsquelle wird vom Speicherkondensator automatisch Energie zugeführt, um den IC mit Strom zu versorgen und die Regelung von VLDO und VOUT aufrechtzuerhalten.

In diesem Beispiel wurde der Speicherkondensator COUT derart dimensioniert, dass er einen Lastimpuls von 15 mA über eine Dauer von 10 ms trägt. Dies entspricht einem Abfall von 0,33 V der Ausgangsspannung während des Lastimpulses.

IPULSE bedingt Lasten für VLDO, VOUT2 sowie VOUT. Der verfügbare Ladestrom ist nicht enthalten, da er im Vergleich zur Last sehr klein sein kann. (COUT=IPULSE(mA)*tPULSE(ms)/dVOUT) Angesichts dieser Anforderungen muss COUT mindestens 454 µF betragen, so dass ein 470 µF Kondensator gewählt wurde. Mit dem gezeigten TEG, das bei ∆T=5 °C betrieben wird, beträgt der durchschnittliche Ladestrom des LTC3108 bei 3,3 V etwa 560 µA. Aus diesen Informationen wird die Ladezeit für VOUT und die Anzahl der möglichen Impulse abgeschätzt:

tCHARGE=470 µs*3,3 V/560 µA=2,77 s

Wenn die Last auf VLDO und VOUT in der Ladephase sehr gering ausfällt (bezogen auf 560 µA), ergibt sich folgende Ladezeit für VOUT: Unter der Annahme eines geringen Laststroms zwischen den Sendeimpulsen besteht eine einfache Möglichkeit, die maximal zulässige Übertragungsrate zu schätzen. Dafür wird die vom LTC3108 verfügbare durchschnittliche Ausgangsleistung (3,3 V * 560 µA = 1,85 mW) durch die für den Impuls benötigte Leistung (3,3 V*15 mA = 49,5 mW) dividiert.

Die maximale Aktivitätsrate beträgt 1,85 mW/49,5 mW = 0,037 oder 3,7%. Damit entspricht die maximale Sendungsrate 0,01/0,037 = 0,27 Sekunden oder etwa 3,7 Hz. Wenn der durchschnittliche Laststrom (bestimmt durch die Übertragungsrate) den höchst möglichen Wert im System erreicht, bleibt keine Energie übrig um den Speicherkondensator zu laden.

Daher wird im Beispiel die Übertragungsrate auf 2 Hz eingestellt, so dass fast die Hälfte der verfügbaren Energie zum Laden des Speicherkondensators eingesetzt wird. In diesem Fall wird die vom Speicherkondensator an VSTORE benötigte Speicherzeit nach folgender Formel berechnet:

tstore=0,1 F*(5,25 V-3,3 V)/(6 µA+15 mA*(0,01/0,5)=637s)

Diese Berechnung beinhaltet den vom LTC3108 benötigten Ruhestrom von 6 µA und geht davon aus, dass die Belastung zwischen den Sendeimpulsen gering ausfällt. Damit kann der volle Speicherkondensator die Last für 637 Sekunden bei einer Übertragungsrate von 2 Hz oder insgesamt 1274 Sendeimpulsen tragen.

Bild 13: LTC3108 - P_OUT vs. ΔT für zwei Größen von TEG- und Transformatorverhältnissen mit V_OUT=5 V
Bild 13: LTC3108 – POUT vs. ΔT für zwei Größen von TEG- und Transformatorverhältnissen mit VOUT=5 V
© Analog Devices

Das optimale Übersetzungsverhältnis

In Anwendungen mit höheren Temperaturdifferenzen (d.h. höhere Eingangsspannungen) kann ein Transformator mit niedrigerem Übersetzungsverhältnis, wie beispielsweise 1:50 oder 1:20, verwendet werden. Damit wird eine höhere Ausgangsstromfähigkeit gewährleistet.

Wenn die minimale Eingangsspannung unter Last mindestens 50 mV beträgt, wird ein Verhältnis von 1:50 empfohlen. Bei mindestens 150 mV Eingangsspannung wird ein Verhältnis von 1:20 empfohlen. Die Kurven in Bild 13 zeigen die Ausgangsleistung des LTC3108 über einen Temperaturdifferenz-Bereich unter Einsatz zweier verschiedener Verhältnisse und zweier TEGs unterschiedlicher Größe.


  1. Temperaturgradienten effizient wandeln
  2. Integrierte Schaltungen zur Energieernte
  3. Lastenabgleich
  4. TEG-Auswahl zur Stromerzeugung
  5. Lastabgleich am Sensorknoten
  6. Solarenergie

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