Startseite > Power > Energy Harvesting > Energie aus stromdurchflossenen Leitungen

Energy Harvesting

Energie aus stromdurchflossenen Leitungen

2. Juni 2014, 13:09 Uhr | Von Klaus Dembowski

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Spannung gewandelt

Für die Elektronik, typischerweise einen Funksensorknoten, wird eine konstante Gleichspannungsversorgung benötigt, d.h. die Wechselspannung ist gleichzurichten und mit Hilfe eines geeigneten Spannungsreglers zu stabilisieren. Weil insbesondere bei dem zu öffnenden Ringkerntyp nur verhältnismäßig geringe Leistungswerte zur Verfügung stehen, empfehlen sich für diese Aufgabe spezielle Wandler, die auch für andere Energy-Harvesting-Anwendungen [4] eingesetzt werden, also bereits für μW geeignet sind und eine gewisse Energiemenge in einer Kapazität zwischenspeichern können, wie der Typ LTC3588 [5] der Firma Linear Technology, der vorwiegend für Piezoschwinger eingesetzt wird. Diese integrierte Schaltung kombiniert einen verlustarmen Voll-Brückengleichrichter mit einem hocheffizienten Abwärtswandler (Buck Converter) auf einem Chip und eignet sich hervorragend für diese Applikation. Die Blockschaltung (Bild 7) veranschaulicht den internen Aufbau.

Der Ringkern wird an PZ1 und PZ2 angeschlossen. Intern wird die Eingangswechselspannung im Bereich von 2,7–20 V gleichgerichtet und auf eine per D0 und D1 einstellbare konstante Ausgangsgleichspannung zwischen 1,8 und 3,6 V gewandelt. Höhere Eingangsspannungen als 20 V werden durch eine interne Schutzdiode begrenzt. Ein Speicherkondensator (z.B. 470 µF) wird an V_IN angeschlossen und dient als Energiespeicher für den nachgeschalteten Abwärtswandler. Dieser kann am Ausgang einen konstanten Strom von bis zu 100 mA zur Verfügung stellen. Eine Undervoltage-Lockout-Logik (UVLO) stellt sicher, dass der Abwärtswandler nur dann arbeitet und die eingestellte Spannung ausgibt, wenn am Speicherkondensator eine ausreichend hohe Spannung anliegt. Erst wenn die Spannung V_in über einem definierten Schwellenwert (ca. 4,2 V) liegt, wird der interne Abwärtswandler in Betrieb genommen. Der Power-Good-Ausgang signalisiert dabei das Erreichen der stabilen Ausgangsspannung. Eine Hysterese in der Logik sorgt dafür, dass die Ausgangsspannung bis zum Erreichen der UVLO-Spannung (ca. 300 mV über der eingestellten Ausgangsspannung) gehalten und erst unter dieser Schwelle der Abwärtswandler ausgeschaltet wird, was durch die Auswertung des Power-Good-Signals, typischerweise von einem Mikrocontroller, zu detektieren ist.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Das Evaluation Board LTC3588EMSE-1 (Bild 8) von Linear Technology enthält den Wandler nebst den notwendigen Bauelementen, so dass eine einfache Inbetriebnahme und Anwendung gewährleistet ist. Beim Einsatz des (nicht aufgetrennten) Vitroperm-500F-Kerns ergibt sich eine maximale DC-Leistung von 30 mW mit einer eingestellten Ausgangsspannung von 3,6 V und ca. 28 mW mit einem Trafoperm-N2-Kern.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass man, um Energie aus stromdurchflossenen Leitungen zu generieren, zwar auf das Schaltungsprinzip eines Stromwandlers zurückgreifen kann, dass allerdings für die Auswahl des geeigneten Ringkernmaterials andere Kriterien wichtig sind: Weder eine hohe Permeabilität noch eine hohe magnetische Induktion sind – für sich allein betrachtet – ausschlaggebend, vielmehr müssen beide Parameter zusammenpassen, um möglichst hohe Leistungen übertragen zu können. Das Angebot an fertig konfektionierten Ringkernen für diesen Einsatzzweck ist recht begrenzt, so dass es notwendig werden kann, die Spule selbst zu wickeln. Für die Gleichrichtung und Spannungsstabilisierung gibt es verschiedene integrierte Chiplösungen, wie sie auch bei anderen Energy-Harvesting-Applikationen zum Einsatz kommen. Damit lässt sich der Elektronikteil der Energieversorgung, der dann problemlos eine Mikrocontrollerschaltung mit Funkschnittstelle versorgen kann, einfach realisieren.

Die insbesondere für ihre Thermogenerationen bekannte Firma Micropelt hat im letzten Jahr den mNode-Sensor [6] vorgestellt, der seine Energie ebenfalls durch Induktion aus einer Spule bezieht. Der stromführende Leiter wird jedoch nicht von einer Spule umschlossen. Sie befindet sich nebst der Elektronik in einem kleinen Kästchen, das mit einem Halterungsbügel auf einer Stromschiene, die typischerweise 50 A führt, befestigt wird (Bild 9). Demnach sind hier weit höhere Ströme notwendig, die die Schaltung per Induktion über eine Luftspule und nicht über einen Ringkern versorgen. Mit dem mNode-Sensor werden die Temperatur und andere Parameter gemessen, um eine Überwachung in Fabrikhallen und Schaltschränken zu realisieren. Die Daten werden dann per Funk in ein Netz gemäß IEEE 802.15.4 übertragen.

Literatur

[1] Sekels GmbH: Ringbandkerne aus VITROPERM und VITROVAC.

[2] Ritz Instrument Transformers GmbH: Niederspannungswandler.

[3] VAC Vakuumschmelze, Kerne und Induktivitäten.

[4] Dembowski, K.: Energy Harvesting für die Mikroelektronik, VDE-Verlag 2011.

[5] Linear Technology: LTC3588-1, Piezoelectric Energy Harvesting Power Supply.

[6] Micropelt Industrial Sensors - mNode.

Grundparameter magnetischer Materialien
µ₀: Die magnetische Feldkonstante beschreibt das Verhältnis der Flussdichte (B) zur Feldstärke (H) im Vakuum in den Einheiten Newton (N) und Ampere (A): µ₀ = 4π·10^-7 N / A² µr: Die Permeabilitätszahl spezifiziert das magnetische Material, was beispielsweise von µ_r = 1 (Vakuum, Luft), über µ_r = 300–10.000 (Eisen) bis hin zu kristallinen Werkstoffen mit µ_r = 20.000–150.000 reicht. μ_r = μ / μ₀

Grundparameter magnetischer Materialien

µ₀: Die magnetische Feldkonstante beschreibt das Verhältnis der Flussdichte (B) zur Feldstärke (H) im Vakuum in den Einheiten Newton (N) und Ampere (A):

µ₀ = 4π·10^-7 N / A²

µr: Die Permeabilitätszahl spezifiziert das magnetische Material, was beispielsweise von µ_r = 1 (Vakuum, Luft), über µ_r = 300–10.000 (Eisen) bis hin zu kristallinen Werkstoffen mit µ_r = 20.000–150.000 reicht.

μ_r = μ / μ₀

Grundparameter magnetischer Materialien

Klaus Dembowski
ist Wissenschaftlicher Angestellter im Institut für Mikrosystemtechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Sein Zuständigkeitsbereich beinhaltet die Entwicklung von Hard- und Software für Mikrosysteme mit dem Schwerpunkt Anwendungen von Energy Harvesting. Er wurde 2011 von der Redaktion der Elektronik für seinen Fachaufsatz „Sensornetze mit energiesparender Funktechnik“ als „Autor des Jahres“ ausgezeichnet.

Klaus Dembowski

ist Wissenschaftlicher Angestellter im Institut für Mikrosystemtechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Sein Zuständigkeitsbereich beinhaltet die Entwicklung von Hard- und Software für Mikrosysteme mit dem Schwerpunkt Anwendungen von Energy Harvesting. Er wurde 2011 von der Redaktion der Elektronik für seinen Fachaufsatz „Sensornetze mit energiesparender Funktechnik“ als „Autor des Jahres“ ausgezeichnet.

Der Autor