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Energie aus der Umgebung: Neue Wandler-ICs für das untere Leistungsspektrum machen Umwandlungslösungen auch bei kleinen Leistungspaketen sinnvoll.
Automatisierungs- & Elektrotechnik

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Energie sammeln bei geringer Leistung

Text: Tony Armstrong, Linear Technology
Ungeachtet der nahezu unbegrenzten Menge an Umgebungsenergie geschieht die Energieernte heute vorwiegend konventionell – mit Solarzellen und Windgeneratoren. Neue Erntetools mit Low-Power-Wandlung sollen dies ändern und neue Quellen erschließen.

Die heutigen Möglichkeiten der Energieernte sind vielfältig: Thermoelektrische Generatoren wandeln Wärme in Elek­trizität, Piezoelemente nutzen mechanische Vibrationen, galvanische Elemente gewinnen aus Feuchtigkeit Energie, die Photovoltaik arbeitet mit Sonnenlicht und anderen Photonenquellen. Abgesetzte Sensoren können heute problemlos Speicher wie Kondensatoren oder Dünnschichtbatterien aufladen, um Mikroprozessoren oder Transmitter auch an abgelegenen Orten per Umgebungs­energiequelle zu versorgen. All diese Beispiele weisen jedoch eine wichtige Gemeinsamkeit auf: Über den jeweiligen Erfolg entscheidet nicht die Umsetzungseffizienz, sondern die durchschnittlich geerntete Energiemenge, die verfügbar ist, um die Wandlerschaltung zu speisen.

Die Krux mit dem unteren Spektrum

Für portable Applikationen und Energieerntesysteme mit einem breiten Arbeitsbereich von Mikrowatt bis über ein Watt steht den Entwicklern schon heute ein breites Spektrum an Energieumwandlungs-ICs zur Verfügung. Anders sieht es jedoch am unteren Ende des Leistungsspektrums aus. Denn für Sensoren und WSNs (Wireless Sensor Networks) im Leistungs- und Strombereich von Zehntel Milliwatt beziehungsweise Nanoampere sind spezifische Batterielader und Wandler-ICs nötig, die im Sub-1-µA-Bereich arbeiten. Dass diese am Markt bislang kaum zu finden waren, hat mit den hohen, schwer zu realisierenden Anforderungen zu tun. Sie reichen von außergewöhnlich niedrigen Ruheströmen und Start-up-Spannungen über hohe Eingangs- beziehungsweise Eingangswechselspannungen bis hin zu Mehrfachausgängen und einem autonomen Systempowermanagement. Für Solarquellen ist außerdem eine Maximum-Power-Point-Steuerung (MPPC) wichtig. Und das alles möglichst in einem kompakten Design mit einer minimalen Anzahl externer Komponenten.

Wie viel Energie benötigt ein Wireless Sensor Network?

Um die Problematik besser zu verstehen, muss man wissen, dass WSNs selbstversorgte Systeme sind, die aus Transducern zur Wandlung der Umgebungsenergie in elektrische Signale bestehen. Weitere typische Komponenten sind ein DC/DC-Wandler und ein Managementsystem, damit die nachfolgende Elektronik auch mit der richtigen Spannung und Strommenge versorgt wird. Die Elektronik selbst besteht in der Regel aus einem Mikrocontroller, einem Sensor und einem Transceiver.

Bei der WSN-Entwicklung taucht meist die Frage auf, wie viel Energie für den Betrieb nötig ist. Hierfür gilt es in der Praxis eine Reihe wesentlicher Faktoren zu beachten, allen voran die Anzahl der Datenauslesungen oder – noch wichtiger – die Größe der Datenpakete sowie die benötigte Leistung, um sie zu senden. Denn allein der Transceiver benötigt rund 50 Prozent der Systemenergie für eine Sensorabfrage mit nachfolgender Übertragung.

Einflüsse auf die Verbrauchs­charakteristik

Wie viel Energie eine Umgebungsquelle im Einzelfall liefert, hängt von ihrer zeitlichen Verfügbarkeit ab. Aus diesem Grund stellt nicht die Energiedichte den primären Parameter zum Vergleich verschiedener Quellen dar, sondern die Leistungsdichte. Ebenfalls charakteris­tisch für das Energy Harvesting im Low-­Power-Segment sind die niedrigen, veränderlichen und nicht vorhersagbaren Leistungspegel.

Besonders beliebt sind deshalb hybride Strukturen, die eine Kombination aus Energieernte und einem sekundärem Speicher darstellen. Weil die Energieernte unbegrenzt Energie, zugleich aber weniger Leistung liefern kann, übernimmt sie die Rolle der ersten Quelle im System. Der sekundäre Speicher, der entweder aus einer Batterie oder einem Kondensator besteht und ständig vom Energieerntesystem geladen wird, kann bei Bedarf eine höhere Leistung bereitstellen, speichert dafür aber weniger Energie. Steht keine Umgebungsenergie mehr zur Verfügung, springt der sekundäre Speicher ein und versorgt das WSN weiter.

Was ein Hybridsystem können muss

Die Kehrseite der Medaille zeigt sich in der höheren Komplexität der Hybridsysteme. Die vorrangige Frage der Entwickler lautet nämlich: Wie viel Energie muss im Sekundärspeicher vorhanden sein, damit der Betrieb auch nach Ausfall der Umgebungsenergiequelle gewährleistet bleibt?

Da WSNs mit möglichst wenig Energie auskommen sollen, müssen auch alle beteiligten Systemkomponenten besonders sparsam sein. Beim Transceiver und ­Mikrocontroller ist das weniger ein Problem. Ganz anders verhält es sich jedoch bei den Energieumwandlungs- und Batterieladelösungen. Um diesen Flaschenhals zu weiten, hat Linear Technology zwei neue ICs entwickelt.

Synchroner Buckwandler …

Der erste davon, ein synchroner Buckwandler mit der Bezeichnung LTC3388-1/-3, eignet sich dank einer Eingangsspannung von 2,7 bis 20 V für unterschiedlichste Energieernten und Batterie-versorgte Applikationen – einschließlich „Keep-alive“-Sensoren und Industriesteuerungen. Der Ausgang am wahlweise 3 x 3 mm großen beziehungsweise MSOP10-E-Gehäuses liefert kontinuierlich bis zu 50 mA. Eine synchrone Gleichrichtung soll ein optimales Arbeiten über einen breiten Laststrombereich gewährleisten. Das Ergebnis ist beachtlich: über 90 Prozent Effizienz für Lasten von 15 µA bis 50 mA.

… mit winzigem Ruhestrom

Zu den Besonderheiten des LT3388-1/-3 zählt der niedrige Ruhestrom von 400 nA, der die Batterielaufzeiten bei Hilfsspannungsversorgung verlängert, und das präzise Unterspannungs-Lock-out-Merkmal (ULVO), das den Wandler bei Eingangsspannungen unter 2,3 V mit Ruhestrom versorgt. Liegt im Regelzustand keine Last an, greift ein Schlafmodus mit 720 nA. Wird der Ausgang kurzzeitig belastet, deaktiviert ein zusätzlicher Standby-Modus die Wandlung. So konzipiert eignet sich der Low-Power-IC letztendlich auch für Ernteanwendungen, bei denen die Versorgung von Sensoren und Drahtlos-Modems sowohl lange Ladezyklen als auch kurzzeitige Lastsprünge aufweist.

Geschütztes Shunt-Batterieladesystem ...

Mit dem zweiten, neu entwickelten Low-Power-Wandler, dem Shunt-Batterie­ladesystem LTC4071, nimmt Linear Technology eine weitere bekannte Hürde für das Energy Harvesting: das effiziente Laden von Batterien aus Low-Power-Quellen. Der LTC4071 löst dieses Problem durch einen integriertem Batteriepack-Schutz und eine Notabschaltung bei geringer Kapazität. Potenzielle Schäden durch Selbstentladung werden so zuverlässig verhindert. De facto hat der Hersteller damit einen einfachen und dennoch fortschrittlichen Lade- und Schutz-IC für Lithium-Ion/Polymer-Batterien geschaffen.

… für niedrige Ladungen

Dank des sehr niedrigen Betriebsstroms von 550 nA sind nun auch Ladungen mit bislang unbrauchbar niedrigen Strömen möglich, die aus intermittierenden oder kontinuierlichen Ladequellen stammen. Ebenfalls zugunsten von Ernteapplikationen reduziert ein interner thermischer Batteriekonditionierer das Floaten der Spannung bei erhöhter Batterietemperatur. Das schützt einmal mehr die Lithium-Ion/Polymer-Zellen, die wahlweise aus Knopfzellen oder Dünnschichtbatterien bestehen können. Mit diesen Eigenschaften entspricht der in einem 8-Pin-2x3-mm-DFN-Gehäuse untergebrachte IC einer kompletten, besonders kompakten Ladelösung, die nur einen externen Widerstand in Serie mit der Eingangsspannung benötigt. Dank neuer Wandler-ICs im Nanopowerbereich gibt es nun auch am unteren Ende des Leistungsspektrums eine größere Auswahl an Energieumwandlungs- und Batterieladelösungen. Besonders dank der niedrigen Ruheströme im Mikroamperebereich und einer längeren Batterielebensdauer lassen sich jetzt neben Low-Power-Sensoren mit „Keep-alive“-Schaltung auch völlig neue WSN-Generationen realisieren, mit denen sich Umgebungsenergiequellen noch besser erschließen und auszunutzen lassen.

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