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Abbildung 2: Praktische Referenzdesigns und Evaluation Boards sollen Entwicklern beim Design von IoT Applikationen unterstützen.

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Batteriemodule für hohe Lebensdauer Energieeffiziente Sensoren für das IoT

12.10.2018

Das Internet der Dinge verbindet Geräte miteinander, die bislang isoliert voneinander funktionierten. Milliarden kleiner Sensoren bilden die Sinnesorgane des IoT und sammeln Informationen zu Parametern aller Art. Wenn batteriebetriebene Sensoren über viele Jahre wartungsfrei arbeiten sollen, müssen sie Energiesparend arbeiten. Ein kleiner Schaltregler kann den Stromverbrauch reduzieren und so die Lebensdauer der Sensoren verlängern.

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Wenn batteriebetriebene Sensoren über viele Jahre wartungsfrei laufen sollen, müssen sie Energiesparend arbeiten. Ein kleiner Schaltregler kann den Stromverbrauch reduzieren und so die Lebensdauer der Sensoren verlängern. Alles ist vernetzt im Internet der Dinge (IoT). Bis 2020 werden laut Cisco an die 50 Milliarden vernetzte Geräte erwartet. Als vernetztes Kommunikationsnetzwerk treffen cyber-physikalische Systeme eigenständig intelligente Entscheidungen, agieren und kommunizieren in Echtzeit mit anderen Systemen und Menschen.

Ein Grund für den rasanten technologischen Fortschritt sind die rapide sinkenden Preise für Sensoren aller Art. War Sensortechnologie vor ungefähr 10 Jahren noch vorwiegend in Spezialanwendungen vertreten, so erobern sie dank des Preisverfalls mittlerweile auch den Massenmarkt. Dadurch ist es möglich, noch mehr Geräte miteinander zu vernetzen, sodass diese zunehmend Daten austauschen können und diese auch kombinieren.

Fortschritt durch sinkende Preise

Häufig werden diese Applikationen mit preisgünstigen 3 V Knopfzellen versorgt, da sie so, unabhängig von einem Netzanschluss, flexibel eingesetzt werden können. Doch birgt dies auch seine Tücken. Eine voll-geladene CR2032 Knopfzelle liefert rund 3,2 V. Jedoch sinkt bereits nach wenigen Stunden im Betrieb, die Spannung auf unter 3 V. Schnell kann die zur Verfügung stehende Energie unter das benötigte Spannungsniveau, beispielsweise für Funkmodule (WLAN, Bluetooth, LoRaWAN und ähnliche), sinken und so beispielsweise die Reichweite stark einschränken oder gar die Übertragung stören. Leider wird auch die angegebene Kapazität nur bei optimalen Bedingungen erreicht. So kann sich die Lebensdauer reduzieren, wenn eine Last mehr Strom erfordert oder die Temperaturen sinken. Anders als bei Geräten, die die erforderliche Energie aus dem Netz beziehen, müssen Batterien ab einem gewissen Zeitpunkt ausgetauscht werden. Bei Geräten an schwer erreichbaren Stellen steigt der Wartungsaufwand gleich nochmals. Daher ist es essenziell, die Batterielaufzeit für die Zukunft zu optimieren.

Modul erhöht Batterie-Performance

Somit ist eines der wichtigsten Kriterien beim Design von IoT-Applikationen, bei denen drahtlose Sensoren zum Einsatz kommen der Stromverbrauch. Je niedriger dieser ist, desto länger wird der Sensor laufen. Am einfachsten lässt sich die Laufzeit der Batterie jedoch verlängern, indem eine mit höherer Kapazität ausgewählt wird. Eine herkömmliche AA Batterie hat beispielsweise eine Kapazität von bis zu 3500 mAh im Gegensatz zu einer Knopfzelle mit ungefähr 240 mAh. Allerdings hat die AA Batterie üblicherweise nur eine Nennspannung von 1,5 V – zu wenig für die meisten IoT Applikationen, die meist eine Spannung von 3,3 V benötigen.

Regelgenauigkeit von 1 Prozent

Der neuartige Schaltregler R-78S von Recom wurde speziell für batteriebetriebene Applikationen konzipiert. Das Modul generiert aus niedrigen Eingangsspannungen von 0,65 bis 3,15 VDC eine stabile 3,3 V Versorgung mit einer Regelgenauigkeit von 1 Prozent. So wird die Applikation, bis zur völligen Entleerung der Batterie, stabil und zuverlässig versorgt. Mit dem Modul können Anwendungen wie Mikroprozessoren, WLAN- und Bluetooth-Module oder IoT-Systeme nun mit nur einer 1,5-V-Batterie- oder Akkuzelle versorgt werden, welche im Gegensatz zu einer herkömmlichen Knopfzelle eine wesentlich höhere Kapazität und somit längere Batterielebensdauer bieten.

Energiesparender Dornröschenschlaf

Das Beispiel ein typischen IoT Anwendungsbeispiels mit einem Funkmodul. Die nötige Stromversorgung liefert hier eine günstige 1,5-V-Batterie. Der Schaltregler erhöht die Spannung auf die erforderlichen 3,3 V für den Mikrocontroller und das Funkmodul. Durch die Integration eines Pufferkondensators, welcher die Schaltung bei Abschaltung versorgt, kann auch der R-78S in einen energiesparenden Sleep Mode versetzt werden. Die meiste Zeit verbringt die Schaltung im energiesparenden Tiefschlaf und wird immer nur ganz kurz aktiv um Daten zu übertragen. Wenn die Schaltung aktiv ist, verbraucht sie kurzzeitig ungefähr 600 µW. Danach kehrt sie zurück in den Schlafmodus und der Verbrauch liegt nun nur noch bei zirka 20 µW. Der Schaltregler R-78S wird in diesem Zustand über einen Pufferkondensator versorgt und benötigt im Schlafmodus nur 7 µA.

Entladung verhindern

Nach einer gewissen Entladezeit unterschreitet die Ladung des Kondensators eine vorgegebene Schwelle. Der Mi-
kroprozessor aktiviert den R-78S und die volle Batterieleistung steht augenblicklich zur Verfügung. So wird verhindert, dass die Schaltung zu lange im Schlafmodus verweilt und sich der Kondensator zu sehr entlädt, wodurch ein Wecken nicht mehr möglich wäre. Bei bestimmten Anwendungen könnte der Mikrocontroller auch durch ein externes Alarm-Signal geweckt werden. Durch diese einfache Lösung kann die Batterie bis zum letzten mV ausgenutzt werden. IoT-Applikationen, welche durch Batterien versorgt werden, müssen wie bereits geschrieben besonders effizient sein. Dafür ist ein optimierter Wirkungsgrad essentiell. Um besonders sparsam zu sein, werden diese Applikationen meist im möglichst geringen Lastbereich betrieben. Das Schaltregler-Modul R-78S wurde so optimiert, dass es nicht nur unter Volllast einen hervorragenden Wirkungsgrad von 93 Prozent erreicht, sondern dieser liegt auch, in dem für IoT-Anwendungen wichtigen, niedrigen Lastbereich von 10 Prozent noch bei über 80 Prozent.

Erwartungen schneller überprüfen

Um Entwickler beim Design ihrer IoT-Anwendung bestmöglich zu unterstützen hat Recom zusätzlich auch ein Referenzdesign und ein Evaluation Board auf den Markt gebracht. Ein Referenz-Design ist eine Komplettlösung, die als Ausgangsbasis für ein Design verwendet werden kann, um es schnell zum Laufen zu bringen. Es hat weniger Optionen als ein Evaluation Board, aber ermöglicht Entwickler, schnell zu überprüfen, ob das Produkt wie erwartet, in der Anwendung funktioniert. Das R-REF02-78S ist ein fertiges Design für IoT Anwendungen und kann direkt in der Anwendung verwendet werden. Das Referenzdesign enthält einen AA-Batteriehalter und einen R-78S3.3-0.1 Boost-Wandler. Zwei Jumper-Header J1 und J2 sind mit der Ausgangsspannung und dem CTRL-Pin des R-78S-Konverters verbunden. Ein Enable-Pin versetzt den R-78S in den Sleep-Modus, in welchem er nur 7 µA von der Batterie aufnimmt.

Externe Eingangsspannung angewandt

Das R-78S Evaluation Board zeigt die Leistung des R-78S, der eine AA-Batteriespannung von 1,5 auf stabile 3,3 V erhöht, bietet aber auch die Möglichkeit die externe Eingangsspannung von anderen Niederspannungsquellen zu verwenden, wie etwa Energy-Harvesting-Geräten. Diese sind für Remote-Anwendungen typisch.

Die Last kann sowohl über Ausgangspins als auch über einen Mikro-USB-Port angeschlossen werden. Prüfpunkte zum Messen ermöglichen Ingenieuren die vollständige Bewertung des weiten Eingangsspannungsbereichs, des hohen Wirkungsgrads und des geringen Standby-Verlusts. Diese drei Faktoren tragen zu einer verlängerten Lebensdauer einer AA-Batterie bei und machen darüberhinaus sogar MEMS-Stromversorgungen möglich. Zusätzlich dazu sind auch zwei Interface-Platinen für das Evaluation Board erhältlich. Mit diesen können entweder das Steval STLCS01V1 SensorTile von STMicroelectronics oder das SensiBLE v0.1 von SensiEDGE angeschlossen werden.

Die vielen Sensoren im Internet der Dinge verlangen nach neuen Stromversorgungskonzepten. Gerade bei batteriebetriebenen Systemen müssen Ingenieure darauf achten, dass die notwendigen Batteriewechsel nicht überhand nehmen. Erreicht wird das einerseits durch die möglichst effiziente Schaltungstechniken. Auf der anderen Seite können allerdings auch speziell entwickelte Produkte wie der Boost-Schaltregler R-78S, welcher besonders sparsam mit der Batterieladung umgeht, zu einer deutlich längeren Laufzeit maßgeblich beitragen.

Bildergalerie

  • Abbildung 1: Der Boost-Schaltregler R-78S verlängert die Lebensdauer von Batterien in IoT-Anwendungen.

    Bild: Recom Power

  • Durch Integration eines Pufferkondensators kann der R-78 ebenfalls in einen Sleep Mode versetzt und so wertvolle Batteriekapazität gespart werden.

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