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Energiemangement für Funksensoren

Mit Piezogenerator und Batterie

21. Juni 2016, 13:09 Uhr | Von Jim Drew

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Verbinden des LTC3330 mit dem Funk-Transceiver

Bild 1 zeigt die Beschaltung des LTC3330 mit einem Superkondensator am Ausgang, einen Dust-Networks-Knoten und eine Batterie. Zur Steuerung wird der Pin EH_ON des LTC3330 mit dem Ausgang A₂ verbunden. Ist der Pegel am Anschluss EH_ON „low“, wird die Ausgangsspannung (U_A) in dieser Konfiguration auf 2,5 V gesetzt, und wenn der Pegel am Pin EH_ON „high“ ist, ergibt dies eine Ausgangsspannung von 3,6 V. Ein piezoelektrischer Wandler vom Typ V25W des Herstellers Midé – mechanisch an die Vibrationsquelle gekoppelt – ist elektrisch mit den Anschlüssen AC₁ und AC₂ des LTC3330 verbunden. Mit einer Vibrationsquelle, die eine Beschleunigung von 1 g_eff bei 60 Hz erzeugt, liefert der Piezogenerator eine Leerlaufspitzenspannung von 10,6 V. Bild 2 zeigt die Aufladung des Eingangskondensators C1 durch den piezoelektrischen Wandler V25W. Dieser lädt in 208 ms von 4,48 V auf 5,92 V. Die vom Piezogenerator an den Eingangskondensator übertragene Leistung berechnet sich wie folgt:

$P subscript C 1 end subscript space equals fraction numerator C subscript 1 space space left parenthesis U subscript E 1 end subscript superscript 2 minus U subscript E 2 end subscript superscript 2 right parenthesis over denominator 2 times increment t end fraction space space space space space space space space equals fraction numerator 18 µ F times left parenthesis 5 comma 92 space V squared minus 4 comma 48 space V squared right parenthesis over denominator 2 times 208 space m s end fraction space space space space space space space space equals 648 space µ W$

Der 22-µF-Kondensator (C1) hat bei der angelegten Spannung von 5 V nur eine Kapazität von 18 µF. Jedes Mal, wenn die unteren Eingangsspannungsschwellwerte (steigend und fallend) über- und unterschritten werden, wird eine Ladung von 26 µC – minus der Verluste des Abwärtswandlers (η = 90 %) – zum Ausgangsspannungsanschluss übertragen. Der Ladevorgang des Superkondensators am Ausgang mit dem Midé-Piezogenerator V25W von 0 V auf 3,6 V dauert etwa 3300 s.

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Solange am Anschluss EH_ON „low“ anliegt (Bild 1), ergibt sich am Ausgang eine Spannung (U_A) von 2,5 V. Wechselt EH_ON auf high, geht die Ausgangsspannung auf 3,6 V. Die erste Marke in Bild 3 zeigt die beginnende Aktivität der Vibrationsquelle; U_E steigt über die untere Eingangsspannungsschwelle. Der Anschluss EH_ON geht auf high und sorgt so für den Anstieg der Ausgangsspannung (U_A) auf 3,6 V. Die Ausgangsspannung U_A beginnt bei 2,5 V da die Batterie geladen ist und den Ausgang speist. Wechselt der Pin EH_ON auf high, geht der Anschluss PGVOUT auf low, da die Ausgangsspannung U_A den Wert von 3,6 V noch nicht erreicht hat. Da die Ladung vom Anschluss U_Ezu U_A übertragen wird, wird der Kondensator C1 am Eingang entladen. Sinkt dadurch die Eingangsspannung U_E unter den Schwellenwert ab, geht der Anschluss EH_ON auf low und setzt die Ausgangsspannung U_A wieder auf 2,5 V.

Vorausgesetzt der Ausgangskondensator ist sehr groß und die durchschnittliche Leistungsaufnahme der Last ist geringer als die Eingangsleistung des Piezogenerators, dann steigt die Ausgangsspannung U_A über mehrere Zyklen auf 3,6 V. Während des Übergangs – die Ausgangsspannung steigt vom Pegel der Batterie (2,5 V) auf den Spannungspegel beim reinen Energy Harvesting (3,6 V) – liegt die Ausgangsspannung U_A über der 2,5-V-Schwelle. Folglich wechselt der Pegel am Anschluss PGVOUT jedes Mal auf high, wenn der Pin EH_ON auf low schaltet. Dieser Zyklus wiederholt sich solange, bis U_A die PGVOUT-Schwelle von 3,6 V erreicht.

Bild 4 zeigt die Entladung des Superkondensators am Ausgang, wenn der Piezogenerator keine Energie liefert und die Eingangsspannung U_E unter die Eingangsspannungsschwelle fällt – was zum Wechsel auf low am Anschluss EH_ON führt. Der Superkondensator am Ausgang wird bis auf die 2,5 V entladen. Ab diesem Punkt versorgt der Auf-/Abwärtswandler den Funksensorknoten aus der Batterie. Der Superkondensator dient als Kurzzeitspeicher, der Energie liefert, wenn für eine bestimmte Zeitspanne die Vibration ausbleibt und der Piezogenerator nicht arbeitet. Er verlängert die Laufzeit der Batterie zusätzlich.

Der Autor:

Jim Drew
ist jetzt im Ruhestand und lehrt an der Universität von Massachusetts. Zuvor war er als leitender Applikationsingenieur bei Linear Technology tätig.