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© Linear Technology Application Notes | 01 August 2014

Was bedeutet die Energieernte im Grunde wirklich?

Das Anwendungsgebiet von tragbaren Stromversorgungen ist riesig und vielfÀltig. Produkte reichen von drahtlosen Sensorknoten (wireless sensor nodes = WSN), die Leistung von nur wenigen Mikrowatt verbrauchen, bis hin zu medizinischen GerÀten auf Instrumentenwagen oder DatenerfassungsgerÀten mit Batterien, die mehrere Hundert Wattstunden Energie liefern.
Trotz dieser Vielfalt, haben sie jedoch einige Trends gemeinsam; nĂ€mlich, dass Entwickler weiterhin mehr Versorgungsleistung in ihren Produkten benötigen, um den steigenden Funktionsumfang zu unterstĂŒtzen und außerdem möchten sie die Batterie aus einer verfĂŒgbaren Spannungsquelle laden. Der erste Trend wĂŒrde bedeuten, die KapazitĂ€t der Batterie zu erhöhen. UnglĂŒcklicherweise sind die Nutzer hĂ€ufig ungeduldig und diese grĂ¶ĂŸeren KapazitĂ€ten mĂŒssten in einer angemessen kurzen Zeit aufgeladen werden, was zu steigenden Ladeströmen fĂŒhrt. Der zweite Trend erfordert eine extreme FlexibilitĂ€t von der Batterieladelösung, da diese einen großen Bereich an Eingangsenergiequellen und -leistungen handhaben muss. GlĂŒcklicherweise, am unteren Ende des Versorgungsleistungsspektrums sind die Anforderungen der Nanopower-Wandlung der Energieernte, wie man sie ĂŒblicherweise in WSNs findet, die den Einsatz von Leistungswandel-ICs benötigen, gelöst. Sie arbeiten mit sehr geringen Leistungspegeln und Strom. Dies können einige zehn Mikrowatt bzw. Nanoampere an Strom sein. Moderne und marktgĂ€ngige Energieerntetechniken, z.B. Energieernte aus Vibration und Solarzellen fĂŒr InnenrĂ€ume, generieren unter typischen Betriebsbedingungen Leistungspegel in der GrĂ¶ĂŸenordnung von Milliwatt. Obwohl solche Leistungspegel ungeeignet erscheinen mögen, kann der Betrieb von Energieerntenden Elementen ĂŒber mehrere Jahre, die Technologien direkt vergleichbar mit PrimĂ€rbattrien mit langer Lebensdauer machen, sowohl bezĂŒglich Energiebereitstellung als auch der Kosten pro Energieeinheit, die geliefert wird. DarĂŒber hinaus sind Systeme, die die Energieernte nutzen, ĂŒblicherweise in der Lage, nach einer Vollentladung wieder voll aufzuladen, etwas, das Systeme, die von PrimĂ€rbatterien versorgt werden, nicht können. Nichtsdestotrotz werden die meisten Implementierungen die eine Energiequelle aus der Umgebung als primĂ€re Leistungsquelle nutzen, aber mit einer PrimĂ€rbatterie ergĂ€nzt, die zugeschaltet werden kann, wenn die Umgebungsenergiequelle ausfĂ€llt oder gestört ist. Ein Energieerntendes WSN Es gibt eine Menge von Umgebungsenergie in der Welt um uns herum und die konventionellen Methoden der Energieernte sind Solarzellen und Windkraft. Neue Erntewerkzeuge erlauben es uns jedoch, nun elektrische Energie aus einer Vielzahl an Quellen aus der Umgebung zu ernten. DarĂŒber hinaus ist es nicht der Wirkungsgrad der Energiewandlung der Schaltungen, der wichtig ist, sondern die Menge der „durchschnittlich geernteten“ Energie, die verfĂŒgbar ist, diese Schaltungen zu versorgen. Thermoelektrische Generatoren wandeln WĂ€rme (oder KĂ€lte) in ElektrizitĂ€t, Piezoelemente wandeln mechanische Vibrationen, die Photovoltaik wandelt Sonnenlicht (oder jede andere Lichtquelle) und die Galvanik gewinnt Energie aus Feuchtigkeit. Dies ermöglicht es, entfernte Sensoren zu versorgen, oder ein Speicherelement, wie einen Kondensator oder eine DĂŒnnfilmbatterie zu laden, sodass ein Mikroprozessor oder Messwertgeber aus der Entfernung ohne lokale Energiequelle versorgt werden kann. Allgemein ausgedrĂŒckt, die nötigen Charakteristika der ICs zur Einbindung und dem Einsatz im alternativen Energiemarkt, schließen die folgenden mit ein:
  • Geringe Standby-Ruheströme – typisch unter 6 ”A bis hinunter zu 450 nA
  • Geringe Einschaltspannungen – bis hinunter zu 20 mV
  • Hohe Eingangsspannungen – bis zu 34 V kontinuierlich und 40 V Spitze
  • FĂ€higkeit zur Handhabung von AC-EingĂ€ngen
  • MehrfachausgĂ€nge und autonomes Power-Management
  • Betrieb mit automatischer PolaritĂ€tsanpassung
  • Maximum-Power-Point-Control (MPPC) fĂŒr EingĂ€nge von Solarzellen
  • Die FĂ€higkeit, Energie aus Temperaturunterschieden von nur 1 °C zu generieren
Kompakte Ausmaße der Lösung mit minimalen externen Komponenten WSNs sind grundsĂ€tzlich in sich geschlossene Systeme, die einen Wandler enthalten, der Energie aus der Umgebung in ein elektrisches Signal wandelt, gefolgt von einem DC/DC-Wandler und –Manager, der die nachfolgende Elektronik mit dem richtigen Spannungspegel und Strom versorgt. Diese nachfolgende Elektronik besteht generell aus einem Mikrocontroller, einem Sensor und einem Sender/EmpfĂ€nger. Wenn man versucht, WSNs zu implementieren, ist es eine gute Frage, die es zu berĂŒcksichtigen gilt: Wie viel Energie benötige ich, um ihn zu betreiben? Konzeptionell erscheint dies ziemlich einfach, in der RealitĂ€t ist dies jedoch aufgrund mehrerer Faktoren etwas komplizierter. Zum Beispiel, wie oft muss ein Messwert erfasst werden? Oder, noch wichtiger, wie groß ist das Datenpaket und wie lange dauert es, dieses zu senden? Dies deswegen, weil der Sender/EmpfĂ€nger rund 50 Prozent der Energie konsumiert, die vom System fĂŒr eine einzige Sensorabfrage benötigt wird. Mehrere Faktoren beeinflussen die Leistungsverbrauchscharakteristika des Energieerntenden Systems eines WSN. Siehe dazu Tabelle 1. NatĂŒrlich hĂ€ngt die Energie, die von der Energieerntenden Quelle geliefert wird, davon ab, wie lange die Quelle in Betrieb ist. Deswegen ist das primĂ€re Maß fĂŒr den Vergleich von Energieerntenden Quellen die Leistungsdichte und nicht die Energiedichte. Die Energieernte ist ganz generell Gegenstand von geringen, variablen und unvorhersagbaren Mengen an verfĂŒgbarer Leistung, so dass hĂ€ufig eine hybride Struktur, die mit dem Energieernter und einer sekundĂ€ren Leistungsreservoir verbunden ist, eingesetzt wird. Der Energieernter ist wegen seiner unbegrenzten Energieversorgung und Mangel an Leistung, die Energiequelle des Systems. Der sekundĂ€re Leistungsspeicher, entweder eine Batterie oder ein Kondensator, erzeugt eine höhere Ausgangsleistung, speichert aber weniger Energie, und gibt Leistung ab, wenn benötigt, empfĂ€ngt aber sonst stĂ€ndig Ladung vom Energieernter. In Situationen, in denen keine Energie aus der Umgebung verfĂŒgbar ist, aus denen Energie geerntet werden könnte, muss deshalb das sekundĂ€re Speicherelement genutzt werden, um den WSN zu versorgen. Aus der Perspektive eines Systementwicklers fĂŒhrt dies natĂŒrlich zu einer höheren KomplexitĂ€t, da sie nun in Betracht ziehen mĂŒssen, wie viel Energie im sekundĂ€ren Energiespeicher gespeichert werden muss, um den Ausfall der Energiequelle in der Umgebung zu kompensieren. Wie viel sie dazu benötigen, hĂ€ngt von verschiedenen Faktoren ab. Diese beinhalten:
  1. Die Zeitspanne, in der die Energiequelle in der Umgebung nicht verfĂŒgbar ist.
  2. Der Arbeitstakt der WSN (das ist die Frequenz mit der eine Datenerfassung und Übertragung durchgefĂŒhrt werden muss)
  3. Die GrĂ¶ĂŸe und Art des sekundĂ€ren Energiespeichers (Kondensator, Superkondensator oder Batterie)
  4. Ist genĂŒgend Umgebungsenergie vorhanden, um als primĂ€re Energiequelle zu wirken und bleibt ausreichend Energie ĂŒbrig, um ein sekundĂ€res Energiereservoir zu laden, wenn die Energiequelle fĂŒr eine spezifizierte Zeitspanne nicht verfĂŒgbar ist?
Energiequellen in der Umgebung schließen Licht, WĂ€rmeunterschiede, Vibrationen, ĂŒbertragene HF-Signale, oder einfach jede andere Quelle, aus der eine elektrische Ladung mit einem Wandler erzeugt werden kann, mit ein. Tabelle 2 illustriert die Energiemenge, die mit den unterschiedlichen Energiequellen gewonnen werden kann. Es gibt eine Unmenge an Anwendungen, in denen diese Energiemengen sinnvoll fĂŒr einen Systemeinsatz sind. Hier nur ein paar Beispiele:
  1. Korrosionssensoren in Flugzeugen
  2. Automatisch abdunkelnde Fenster
  3. BrĂŒckenĂŒberwachung
  4. GebÀudeautomatisierung
  5. ElektrizitÀtsverbrauchsmesser
  6. Gassensoren
  7. Gesundheits-Überwachung
  8. Heizungs-/Klimaanlagensteuerung
  9. Lichtschalter
  10. Abgesetzte Pipeline-Überwachung
  11. Wasserverbrauchsmesser
Ein hervorragendes Beispiel fĂŒr die Möglichkeiten, die von alternativen Energien geboten werden, ist der Markt fĂŒr mit Solarzellen betriebene GerĂ€te. Dieser wĂ€chst stĂ€ndig weiter, da Unternehmen nach Wegen suchen, um den Energieverbrauch zu reduzieren. Betrachten wir dazu z.B. Smart-Meters. Sie werden im Smart-Grid eingesetzt und es wĂ€re vorteilhaft fĂŒr sie, wenn sie von einer Energiequelle in der Umgebung versorgt wĂŒrden, um die Betriebs-Energiekosten zu senken. Und eine nutzbare und unerschöpfliche Energiequelle sind die Solarzellen. Solarenergie ist jedoch variable und unzuverlĂ€ssig, weswegen nahezu alle solarbetriebene GerĂ€te auch wieder aufladbare Batterien enthalten. Deshalb wĂ€re es ein wichtiges Ziel, soviel Solarenergie wie nur möglich zu extrahieren, um diese Batterien schnell zu laden und ihren Ladungszustand fĂŒr die Nutzung als Energiequelle zu erhalten, wenn die Solarenergie nicht verfĂŒgbar ist.
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Eine Nanopower-IC-Lösung Es ist klar, dass WSNs nur sehr kleine Mengen an Energie zur VerfĂŒgung haben. Dies bedeutet wiederum, dass die im System eingesetzten Komponenten in der Lage sein mĂŒssen, mit diesen geringen Leistungspegeln zu Recht zu kommen. WĂ€hrend dies bei den Mikrocontrollern und Transceivern bereits erreicht ist, klafft auf der Leistungswandlungsseite der Gleichung noch eine LĂŒcke. Allerdings stellte Linear Technology seinen LTC3330 vor, der speziell dazu ausgelegt ist, diese Anforderungen zu erfĂŒllen, wie in Bild 1 illustriert. Der LTC3330 ist eine vollstĂ€ndig regelnde Energieerntende Lösung, die bis zu 125 mA kontinuierlichen Ausgangsstrom liefert, um die Batteriebetriebszeit zu verlĂ€ngern, wenn erntbare Energie verfĂŒgbar ist. Er benötigt keinen Versorgungsstrom von der Batterie, wenn er geregelte Leistung an den Verbraucher aus der geernteten Energie liefert und nur 750 nA, wenn er von der Batterie ohne Verbraucher versorgt wird. Der LTC3330 enthĂ€lt eine Energieerntende Hochspannungs-Stromversorgung, plus einen synchronen Auf-/AbwĂ€rtswandler, wenn er aus einer PrimĂ€rbatterie versorgt wird, um einen einzigen nicht unterbrechbaren Ausgang fĂŒr Energieerntende Applikationen zu kreieren, wie sie in drahtlosen Sensornetzwerken vorkommen. Die Energieerntende Stromversorgung des LTC3330, die aus einer Graetz-Schaltung besteht, die AC- oder DC-EingĂ€nge handhabt, und einem synchronen AbwĂ€rtswandler mit hohem Wirkungsgrad, erntet Energie aus piezoelektrischen (AC), solaren (DC) oder magnetischen (AC) Quellen. Die Eingangsleistung der PrimĂ€rbatterie versorgt einen synchronen Auf-/AbwĂ€rtswandler, der mit 1,8 V bis 5,5 V Eingangsspannung arbeitet und eingesetzt werden kann, wenn die geerntete Energie nicht verfĂŒgbar ist, um den Ausgang zu regeln, unabhĂ€ngig ob der Eingang ĂŒber, unter oder gleich dem Ausgang ist. Der LTC3330 geht automatisch auf die Batterie ĂŒber, wenn die Energieerntequelle nicht lĂ€nger verfĂŒgbar ist. Dies hat den zusĂ€tzlichen Vorteil, dass es erlaubt, dass die batteriebetriebenen WSNs ihre Betriebszeit von zehn Jahren auf ĂŒber 20 Jahre steigern können, wenn eine geeignete Energieerntende Quelle mindestens die HĂ€lfte der Zeit verfĂŒgbar ist und noch wesentlich lĂ€nger, wenn die Energieerntequelle lĂ€nger verfĂŒgbar ist. Dies ist wichtig, weil die Tadiran-C-Batterien rund $16 pro StĂŒck kosten, sodass die Kosten, diese durch Personal auszutauschen signifikant sind. Alternativ könnte ein Anwender eine kleinere Batterie (kĂŒrzere Lebensdauer) verwenden und die Systemkosten damit insgesamt senken. Zusammenfassung Auch wenn portable Applikationen und Energieerntende Systeme fĂŒr ihren korrekten Betrieb eine Vielzahl an Leistungspegeln haben, von Mikrowatt bis ĂŒber 1 Watt, gibt es fĂŒr den Systementwickler viele Leistungswandler-ICs zur Auswahl. Es ist jedoch am unteren Ende des Leistungsbereichs, an dem Ströme im Bereich von Nanoampere gewandelt werden mĂŒssen, wo die Auswahl begrenzt ist. GlĂŒcklicherweise ist der Energieernte- & Batteriebetriebsdauer-Erweiterungsbaustein LTC3330, mit seinem extrem geringen Ruhestrom ideal fĂŒr Anwendungen mit geringer Versorgungsleistung geeignet. Ein Ruhestrom von unter 1 Mikroampere verlĂ€ngert die Batteriebetriebsdauer fĂŒr Standby-Schaltungen in portabler Elektronik und ermöglicht eine neue Generation von Energieerntenden Applikationen, wie WSNs. ----- Autor: Tony Armstrong, Director of Product Marketing at © Linear Technology Corporation
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