Energie ist überall – und sie lässt sich immer einfacher ernten

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

RECOM Power GmbH

Analog Devices

Die besondere Rolle der Stromversorgung

Die Stromversorgung in Energy-Harvesting-Systemen nimmt eine ganz besondere Rolle ein. Sie muss an erster Stelle besonders effizient arbeiten und ihre Eigenstromaufnahme muss der gering sein. Die meisten Energy-Harvesting-Systeme stellen nur sehr kleine Leistungen zur Verfügung. Möglichst viel davon soll für die eigentliche Funktion und nicht in der Stromversorgung verbraucht werden. Zudem sollte die Stromversorgung in der Lage sein, bereits bei Versorgungsspannungen von nur wenigen mV Energie zu „ernten“. Dies ist besonders in Anwendungen wichtig, in denen über längere Zeiträume z.B. nur wenig Licht auf eine Solarzelle fällt und die resultierende Spannung nur sehr gering ist.

Maximale Leistung am optimalen Arbeitspunkt

Eine weitere wichtige Funktion ist das „Maximum Power Point Tracking“ (MPPT). Um maximale Leistung aus einer Energiequelle mit hoher Impedanz wie einer Solarzelle oder auch eines thermoelektischen Generators zu erhalten, muss die Eingangsspannung der Stromversorgung genau geregelt werden. Wenn der Solarzelle beispielsweise zu wenig Strom entnommen wird, liegt zwar eine höhere Spannung an, die elektrische Leistung ist aber nicht im Bereich des maximal möglichen. Wird hingegen zu viel Strom aus der Solarzelle gezogen, sinkt die Spannung stark ab, was ebenfalls nur eine reduzierte Leistung ermöglicht. Jeder Energy Harvester hat einen optimalen Arbeitspunkt, bei dem die maximale Leistung entnommen werden kann. Dies wird durch MPPT erreicht.

Eine ganz neue Stromversorgung für Energy Harvesting

Der ADP5090 von Analog Devices ist ein neuer Stromversorgungs-IC, der den Entwurf einer Energy-Harvesting-Lösung stark vereinfacht. Bild 2 zeigt eine Beispielschaltung. Es handelt sich um einen DC/DC-Boost-Wandler mit MPPT, der sich für eine minimale Eingangsspannung von unter 100 mV eignet. Neben der Anhebung der Eingangsspannung auf die Versorgungsspannung der verwendeten Elektronik, wird auch das komplette Stromversorgungsmanagement eines Energiezwischenspeichers wie beispielsweise eines Super Caps als auch einer optionalen Primärzellenbatterie realisiert.

Ergänzendes zum Thema

Der Aufwärtswandler ADP5090 auf einen Blick

Energy Harvesting – also das „Ernten“ von Energie, beispielsweise zur Versorgung von drahtlosen Sensornetzwerken, ist derzeit weltweit voll im Trend.

Der sparsame Boost-Regler ADP5090 von Analog Devices ermöglicht die Gewinnung von Energie schon aus wenig Licht und eignet sich damit speziell für Systeme zur photovoltaischen oder thermoelektrischen Energiegewinnung sowie für das Management mehrerer Stromversorgungs-Pfade.

Der Aufwärtswandler wandelt die gewonnene Energie, selbst wenn diese nur 10 µW beträgt, effizient und mit Verlusten unter 1 µW um. Somit lässt sich ein Maximum an Energie für den Betrieb speichern.

Details zum ADP5090 im Überblick:

• Optimierung der effizienten Umwandlung kleinster geernteter Energiemengen im Bereich von 10 µW bis 1 mW durch klassenbeste, weniger als 1 µW betragende Umwandlungsverluste.

• Programmierbares Maximum Power Point Tracking (MPPT) mit Messung der Leerlaufspannung sorgt für maximalen Energieertrag.

• 250 nA Ruhestromaufnahme im Deep-Sleep-Modus ergibt eine längere Betriebszeit bei einem minimalen Verlust an geernteter Energie.

• Integrierte Ladungspumpen-Schaltung ermöglicht den Kaltstart bei nur 380 mV Eingangsspannung und ohne Energie am Systemanschluss.

Hocheffizenter Aufwärtswandler für Energy Harvesting

Bild 3 zeigt die mögliche hohe Effizienz eines ADP5090 bei sehr geringen Leistungen. Bei einer Eingangsspannung von 0,5 V und einer Ausgangsspannung von 3 V erhält man bei 100 µA Eingangsstrom noch immer eine Leistungseffizienz von ca. 80%. Dies ist möglich, da die Eigenstromaufnahme bei nur ca. 300 nA liegt.

Einfacher Anfang mit Energy Harvesting

Heute existieren viele verschiedene fortschrittliche Lösungen für Energy-Harvesting-Systeme die eine Entwicklung so einfach wie möglich gestalten. Die Harvester selber liefern bei typischen Einsatzbedingungen bei kleiner Bauform beachtliche Leistungen. Der Stromversorgungsblock mit einem ADP5090 bietet eine sehr hohe Spanungswandlungseffizienz und kümmert sich mit sehr geringer Verlustleistung darum, die Ströme auf den richtigen Pfaden in allen Betriebsbedingungen zu leiten.

Wie sich ein komplettes Energy-Harvesting-System evaluieren lässt

Bild 4 zeigt eine Evaluierungsplattform mit der sich nicht nur einzelne Energy-Harvesting-Funktionen, sondern sogar ein komplettes System evaluieren lässt. Diese Plattform besteht aus einem zentralen ADP5090 Board und einem effizienten Ambeon-PV-Solarzellenmodul als Energy Harvester. Das Sensorsystem besteht aus der Wireless Sensor Lösung (WSN – Wireless Sensor Network) von Analog Devices, z.B. mit CO₂- und Temperatursensoren. Der Mikrocontroller ADuC RF101 basiert auf dem Cortex M3 Prozessor und bietet sub Gigahertz Transceiver Funktionalität.

Energy-Harvesting-Anwendungen wirtschaftlich entwickeln

Energy Harvesting ist mittlerweile sowohl was die Technologien betrifft als auch die zur Verfügung stehenden Hilfsmittel bei einer Reife angelangt, bei welcher viele neue Anwendungen wirtschaftlich zu entwickeln sind. Dadurch werden sich in naher Zukunft viele neue Anwendungen etablieren.

* Frederik Dostal ist Experte für Power-Management bei der Analog Devices GmbH in München.

(ID:42678860)