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Leistungsfähige Power-Management-ICs bringen Energie-Ernte ein

Energy Harvesting wandelt Traum in Trend

4. November 2011, 9:16 Uhr | Willem Ongena

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Wer sät, wird auch ernten

Wer sich aber die Mühe gibt, eine solche Schaltung zu entwickeln, wird dafür reichlich belohnt. Solange man sicherstellen kann, dass durchschnittlich genug Temperaturgradient, Sonnenstrahlung oder Raumbeleuchtung vorhanden ist, kann ein Akku oder Ultrakondensator die »dunklen Zeiten« überbrücken und man kann quasi ununterbrochen elektrische Energie »ernten«.

Schon vor mehr als einem Jahr stellte der IC-Hersteller Linear Technology mit dem Energy-Harvesting-Schaltregler LT3109 eine Lösung für Betrieb an thermoelektrischen Generatoren mit dem Seebeck-Effekt vor. Dieser kann bereits typisch ab 30 mV (max. 50 mV) Eingangspannung und 6 mA Eingangsstrom eine einstellbare Ausgangsspannung von 2,35 V, 3,3 V, 4,1 V oder 5 V abliefern. Der kurzgeschlossene Ausgang gibt zwischen maximal zwischen 6 und 26 mA (typisch 15 mA) ab. Das ist auch die Stromstärke, die maximal aus einem externen Pufferkondensator oder Akku fließen kann. Auch ist ein VLDO-Längsregler mit einer Ausgangsspannung von 2,2 V integriert, der mit mindestens 5 mA belastbar ist. Bei einer Last von 2 mA liegt der Spannungsabfall bei rund 100 mV.

Einen Schritt weiter ging erst kürzlich Texas Instruments mit dem Energy-Harvesting-IC bq25504. Er benötigt zum Betrieb zwar eine höhere Spannung als der LT3109, kommt aber neben Seebeck-Spannungen auch mit Photospannungen ab 100 mV und Eingangsströmen sogar unterhalb 100 µA zurecht. Man kann also auch kleinflächige Solarzellen anschließen, die schon ab einer Klemmenspannung von 100 mV den Akku oder Ultrakondensator nachladen. Nur wenn dieser völlig entladen sein sollte, benötigt der bq25504 vorübergehend eine Eingangsspannung von 330 mV. Zu diesem Zweck enthält der Energy Harvester einen Kaltstart-Schaltkreis, der in der Lage ist, die Einzelschaltkreise gezielt mit der notwendigen Mindest-Ladung oder Spannung zu versorgen. Sobald die Startphase beendet ist, schaltet die Steuerungseinheit (Power Management Control Unit, PMU) einen Hochsteller (Boost) zu, der die Spannung mit einer Genauigkeit von 1 Prozent so transformiert, dass optimaler Ladestrom fließt. Die Restwelligkeit liegt bei weniger als 2 Prozent. Die PMU überwacht den Ladevorgang ständig und stellt ggf. auch fest ob am Akku Überspannung, Unterspannung oder Überhitzung vorliegt und leitet ggf. korrigierende Maßnahmen bis hin zur Abschaltung ein.