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Drahtlose Sensorknoten versorgen

Wie viel Energie reicht aus?

19. Juni 2018, 06:30 Uhr   |  Von Tony Armstrong

Wie viel Energie reicht aus?
© PopTika | Shutterstock.com

Bei der Entwicklung einer Energy-Harvesting-Stromversorgung für drahtlose Sensorknoten muss klar sein, wie viel Energie tatsächlich ­benötigt wird. Allerdings hängt der Energiebedarf von einigen ­Faktoren ab.

Moderne tragbare Geräte enthalten beispielsweise ein Mobilfunk-Modem, ein Wi-Fi-Modul, Bluetooth-Module und ein großes Display. Und das sind nur einige der Funktionalitäten heutiger Handhelds. Die Leistungsarchitektur vieler porta­bler Geräte spiegelt die eines Mobiltelefons wider. Aufgrund der hohen gravime­trischen (Wh/kg) und volumetrischen ­(­Wh/m3) Energiedichte wird typischerweise ein 3,7-V-Li-Ionen-Akku als primäre Stromquelle verwendet.

In der Vergangenheit setzten viele Geräte mit hohem Leistungsbedarf einen 7,4-V-Li-Ionen-Akku ein, um die Strombelastung an der Spannungsversorgung zu reduzieren. Aber durch die Verfügbarkeit preiswerter 5-V-Power-Management-ICs wurde es möglich, immer mehr tragbare Geräte auf 3,7-V-Spannungsversorgungs-Architektruen auszulegen.

Hohe Ladeströme verhindern jedoch nicht, dass die Verbraucher ihre leistungsstarken Geräte über einen USB-Anschluss laden wollen, auch wenn kein Netzteil mit hohem Ladestrom verfügbar ist. Um diese Anforderung zu erfüllen, muss ein Ladegerät mit hohen Strömen (>2 A) laden können, wenn ein Netzteil vorhanden ist, aber trotzdem die 2,5 W bis 4,5 W aus der USB-Schnittstelle effizient nutzen können.

Am unteren Ende des Leistungsspektrums stehen die Anforderungen der Nanostromwandlung von Energy-Harvesting-Systemen, wie sie üblicherweise in drahtlosen Sensorknoten (Wireless Sensor Nodes, WSN) zu finden sind. In solchen Knoten ist der Einsatz von Leistungswandler-ICs nötig, die mit sehr geringen Leistungen und Strömen zurechtkommen müssen, zum Beispiel mit nur wenigen Mikrowatt Leistung oder Nanoampere Strom.

Energy-Harvesting-Sensorknoten

Es gibt jede Menge an Umgebungsenergie in der Welt um uns herum. Der konventionelle Ansatz für Energy Harvesting ist die Energiegewinnung über Solarzellen und Windgeneratoren. Neue Energy-Harvesting-Methoden erlauben es uns nun, elektrische Energie aus einer Vielzahl an Energiequellen aus der Umgebung zu generieren. Außerdem ist nicht der Wirkungsgrad der Energiewandlung dieser Schaltungen entscheidend, sondern die Menge an »durchschnittlich geernteter« Energie, die für die Stromversorgung zur Verfügung steht.

Beispielsweise wandeln thermoelek­trische Generatoren Wärme in Strom, Piezoelemente wandeln mechanische Vibrationen in Strom und die Fotovoltaik macht Sonnenlicht oder jede beliebige andere Photonenquelle als Stromquelle nutzbar. Dadurch ist es möglich, Remote-Sensoren mit Strom zu versorgen oder ein Speicherme­dium wie einen Kondensator oder eine Dünnfilmbatterie zu laden, um Strom für einen Mikroprozessor oder Funkübertrager ohne lokale Stromversorgung bereitzustellen.

WSNs sind im Wesentlichen abgeschlossene Systeme, die eine Art Messumformer enthalten, der die Umgebungsenergie in ein elektrisches Signal umwandelt. Üblicherweise ist ein ­DC/DC-Wandler mit Power-Management nachgeschaltet, um die Elektronik mit der richtigen Spannung und dem nötigen Strom zu versorgen. Die zu versorgende Elektronik besteht in der Regel aus einem Mikrocontroller, einem Sensor sowie einem Transceiver.

Zu berücksichtigende Faktoren

Wenn man drahtlose Sensorknoten implementieren will, muss man folgende Frage beantworten: Wieviel Strom benötige ich, um sie zu versorgen? Konzeptionell scheint die Antwort recht einfach zu sein. In der Realität ist es jedoch aufgrund einer Reihe von Faktoren deutlich schwieriger, die Antwort zu finden.

Zum Beispiel muss folgende Faktor betrachtet werden: Wie häufig muss eine Messung durchgeführt werden? Oder noch wichtiger: Wie groß ist das Datenpaket und über welche Strecke muss es übertragen werden? Das ist deshalb so wichtig, weil der Transceiver rund 50 % der Energie verbraucht, die das System für eine einzige Messwert­erfassung benötigt.

Power by Linear | Analog Devices bietet Energy-Harvesting-ICs für unterschiedliche­ ­Anwendungen an, bei denen ohne lokale Stromversorgung Energie für einen Mikroprozessor oder einen Funkübertrager bereitgestellt werden muss
© Analog Devices

Bild 1. Power by Linear | Analog Devices bietet Energy-Harvesting-ICs für unterschiedliche­ ­Anwendungen an, bei denen ohne lokale Stromversorgung Energie für einen Mikroprozessor oder einen Funkübertrager bereitgestellt werden muss.

Natürlich hängt die Energie, die von einer Energy-Harvesting-Quelle geliefert wird, davon ab, wie lange die Quelle in Betrieb ist. Deshalb ist das wichtigste Merkmal zum Vergleich von Energy-Harvesting-Quellen die Leistungsdichte und nicht die Energiedichte. Energy Harvesting ist generell abhängig von kleinen, veränderlichen und unvorhersehbar verfügbaren Leistungspegeln.

Deshalb wird häufig eine hy­bride Stromversorgungs-Struktur verwendet – bestehend aus der Energy-Harvesting-Schaltung und einer zweiten Energiequelle. Ein Energy-Harvesting-IC, der in einem WSN-System zum Einsatz kommt, muss aus elektrischer Sicht genau auf die Art von Umgebungsenergie abgestimmt sein, aus der geerntet werden soll. Bild 1 zeigt, wie unterschiedlich Energy-Harvesting-Anwendungen und die Art der Energiegewinnung aus der Umgebung sein können.

Tabelle über Energiequellen und die daraus erzeugbaren Energiemengen.
© Quelle: Analog Devices

Tabelle 1. Energiequellen und die daraus erzeugbaren Energiemengen.

Die Energy-Harvesting-Schaltung als Haupt-Energiequelle des Systems kann potenziell unbegrenzt Energie zur Verfügung stellen, erzielt jedoch nur eine geringe Leistung. Darüber kann ein sekundäres Energiereservoir, entweder eine Batterie oder ein Kondensator, eine höhere Ausgangsleistung zur Verfügung stellen, speichert aber weniger Energie und liefert nur dann Strom, wenn er benötigt wird.

Daneben wird die sekundäre Energiequelle ständig von der Energy-Harvesting-Schaltung aufgeladen. In Situationen, in denen keine Umgebungsenergie zum Ernten zur Verfügung steht, wird also der sekundäre Leistungsspeicher zur Versorgung der WSNs verwendet.

Aus Entwicklersicht steigt dadurch natürlich der Grad an Komplexität. Denn es muss nun berücksichtigt werden, wie viel Energie in der sekundären Energiequelle gespeichert werden muss, um den Wegfall der Energiequelle in der Umgebung ausgleichen zu können.

Wieviel Energie nötig ist, hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu zählen:

  • die Zeitspanne, in der die Energiequelle in der Umgebung nicht verfügbar ist
  • der Arbeitszyklus des drahtlosen Sensorknotens, also die Frequenz, mit der eine Datenerfassung und -übertragung erfolgen muss
  • die Größe und Art des sekundären Energiereservoirs (Kondensator, Superkondensator oder Batterie)
  • die Frage, ob ausreichend Umgebungsenergie zur Verfügung steht, damit die Energy-Harvesting-Quelle sowohl als primäre Energiequelle dienen kann, als auch das sekundäre Leistungsreservoir aufladen kann.

Mögliche Energiequellen in der Umgebung sind Licht, Wärmeunterschiede, Vibrationen, gesendete HF-Signale oder jede beliebige andere Quelle, die über einen Wandler elektrische Ladung erzeugen kann (Tabelle 1).

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