Startseite > Power > Energy Harvesting > Power fürs Internet der Dinge

Energy Harvesting

Power fürs Internet der Dinge

9. Juni 2015, 9:29 Uhr | Ralf Higgelke

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Energiebedarf ermitteln

Bevor wir jedoch die Stromversorgung dimensionieren können, müssen wir den Energiebedarf des Temperatursensors mithilfe von Easy DesignSim ermitteln. Nach der Anmeldung wird »Energy Harvesting« und dann im Teil »Part Selection« der MB39C811 ausgewählt. Es erscheint die grafische Oberfläche des Webtools, und es ist zunächst ein »Harvester«, also ein Stromgenerator, festzulegen. Da der Gesamtenergiebedarf errechnet werden soll, wird vorerst »Manual« gewählt und 0 W eingegeben. Anschließend ist es notwendig, die Versorgungsspannung für unsere Anforderung zu ändern. Für das Beispiel wird eine Versorgungsspannung von 3,3 V gewählt (Bild 1). Die weiteren Einstellungen lassen sich aus der Vorgabe des Webtools übernehmen. Als Nächstes werden jetzt die zuvor genannten Schritte (siehe Tabelle) der zu lösenden Aufgabe des Temperatursensors eingegeben. Nun zeigt uns das Webtool, dass der Gesamtenergiebedarf bei 1869,791 µJ liegt (Bild 2).

Als Nächstes sollen die Kapazitäten am Ein- und Ausgang festlegt werden. Hier unterstützt die Application-Note »Energy Calculation For Energy Harvesting« [1] die Entwickler. Das Beispiel verwendet den Abwärtswandler MB39C811. Die Application-Note schlägt eine Ausgangskapazität von 47 µF vor; darin können 131 µJ für die Anwendung gespeichert werden. Es fehlen also noch: 1870 µJ - 131 µJ = 1739 µJ. Dieser Rest muss folglich von der Kapazität an der Eingangsseite des Abwärtswandler aufgebracht werden. Allerdings ist hier auch dessen Wirkungsgrad η zu berücksichtigen. Durch Umstellen von Gleichung (1) ergibt sich Gleichung (2). Dabei steht E(C_in) für die verwertbare Energie in der Eingangskapazität Cin. Die beiden Spannungswerte U_UVLOL und U_UVLOH geben die untere beziehungsweise obere Grenze an, bei der der MB39C811 die Eingangsspannung als »gut« bewertet. Außerhalb dieses Bereichs gibt der PMIC die Versorgung nicht frei.

(1) $E open parentheses C subscript i n end subscript close parentheses space equals space 1 half space times space eta space times space C subscript i n end subscript space times space open parentheses U subscript V L O H end subscript squared space minus space U subscript V L O L end subscript squared close parentheses$

(2) $C subscript i n end subscript space equals space fraction numerator 2 space times space E open parentheses C subscript i n end subscript close parentheses over denominator eta space times space open square brackets U subscript V L O H end subscript squared space minus space U subscript V L O L end subscript squared close square brackets end fraction space equals space space space space space space space space equals space fraction numerator 2 space times space 1739 space mu over denominator 0 comma 8 space times space open square brackets open parentheses 5 comma 2 space V close parentheses squared space minus space open parentheses 4 comma 0 space V close parentheses squared close square brackets end fraction space equals space 394 space mu F$

Nun stehen alle Werte, die zur Berechnung des Designs notwendig sind, zur Verfügung. Unter Abschnitt 1 des Webtools kann jetzt für den Harvester das Solarpanel »BCS4630B9« und eine Beleuchtungsstärke von 2000 l ausgewählt werden. Als Nächstes ist es möglich, in Abschnitt 2 des Webtools die ermittelten Werte für die beiden Kapazitäten – C_in mit 394 µF und C_out mit 47 µF – einzugeben. Die Versorgungsspannung von 3,3 V sollte beibehalten werden. Die Daten der einzelnen Schritte im dritten Abschnitt können aus der Berechnung des Energiebedarfs übernommen werden. Nun ist ersichtlich, wie viel Energie für jeden Schritt aus den Speicherkondensatoren entnommen werden muss.

Resultate

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Im Abschnitt »Results« (Bild 3) sind nun die Ergebnisse einzusehen. Es ist festzustellen, dass das Designbeispiel des Temperatursensors mit den ausgewählten Komponenten initialisiert werden kann und eine komplette Sequenz durchläuft, bevor die gespeicherte Energie verbraucht ist.

Über die Schaltfläche »Open Power Plot« kann man zusätzlich einen Graph über den Spannungsverlauf erstellen (Bild 4). Es ist zu erkennen, dass die Wartezeit von 0,5 s nicht ausreicht, um nach dem ersten Durchlauf wieder genug Energie für einen Zweiten zu sammeln.

Der MB39C811 wird also die Stromversorgung nach dem ersten Durchlauf unterbrechen und später den Mikrocontroller neu starten.

Mit der Schaltfläche »Create Design« (siehe Bild 3) lässt sich jetzt das Referenzdesign für den Temperatursensor erzeugen, das den eingegebenen Anforderungen entspricht (Bild 6). Ebenfalls ist es möglich, einen Graphen mit der Transienten-Analyse erzeugen zu lassen (Bild 5).