Schaltungstipp Energy Harvesting Schaltungen zur Energieernte aus piezoelektrischen und thermischen Quellen entwickeln

Energy Harvesting erweitert die Lebensdauer von Akkus bis zur nutzbaren Lebensdauer der Endprodukte. In einigen Anwendungen lassen sich Akkus bereits komplett ersetzen. Der Beitrag fasst grundlegende schaltungstechnische Tipps für piezoelektrische und thermische Quellen zusammen.

Anbieter zum Thema

Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Der Markt für Energie Harvesting entwickelt sich rapide, da immer mehr Bausteine auf den Markt kommen, die eine Energie von wenigen Mikrowatt in nutzbare Spannungen transformieren können. Durch das Hinzufügen einer Energie-Harvesting-Schaltung zu einem vorhandenen batteriebetriebenen Sensor lässt sich die Batterielaufzeit auf die nutzbare Lebensdauer des Endproduktes ausweiten.

Bei einem Batterie betriebenen Wireless-Sensorknoten (wireless sensor node = WSN) muss die Batterie in mehreren Standard-Serviceintervallen ausgetauscht werden, damit eine sichere Datenübertragung an den Host gewährleistet ist (Bild 1).

Die Kosten dieses Batteriewechsels sind unbedeutend, verglichen mit den Kosten, die ein Servicetechniker vor Ort verursacht. Das ideale WSN-System ist daher selbst versorgend ohne die Notwendigkeit für Serviceeinsätze, u.U. an weit entfernten Plätzen, und weist deshalb reduzierte Betriebskosten über die gesamte Produktlebenszeit auf.

Energy Harvesting lässt sich mit Hilfe von thermischen oder piezoelektroschen Quellen realisieren. Diese Bausteine erfassen mit einem abgestimmten magnetischen Umformer Vibrationen an rund 10 mg oder ≥20 mV von einer Quelle geringer Impedanz, wie einem thermischen Generator, der eine Temperaturdifferenz von 1°C aufweist.

Die Applikationen in denen die Energieernte vorteilhaft ist, sind vielfältig und schließen u.a. die Überwachung der Flugzeugzelle auf Zerstörungen, Güteraufspürung, Warenüberwachung, Überwachung der Gebäudetemperatur und Beleuchtungssteuerung, Fabrikautomatisierung, Überwachung industrieller Prozesse, Autogebührenmarken, Reifendrucküberwachungssysteme, Absperrungsüberwachung und im Prinzip jede weitere Applikation ein, die eine Überwachung erfordert, aber schwer zu warten ist.

Energy Harvesting aus piezoelektrischen Quellen

Wenn man Energy Harvesting mit einer piezoelektrischen Quelle implementiert, kann man die Energie entweder am Ausgang oder am Eingang der Powermanagement-Lösung speichern, wie in den Bildern 2a und 2b dargestellt. Die Energie am Ausgang des Powermanagementsystems zu speichern hat folgende Vorteile:

• Die Energiespeicherung bei kleinen Spannungen ermöglicht preisgünstige, gängige Komponenten,

• Superkondensatoren oder Batterien können wegen der geringen Spannungen als Speicherelemente eingesetzt werden,

• der Energie erntende Baustein kann die Energie aus kleineren Vibrationen sammeln, weil der Ausgang nur eine kleine Spannung generieren muss und

• der Ladebaustein kann die Impedanzanpassung durch Modifizieren des Ladestroms regeln, um den Leistungsausgang der piezoelektrischen Quelle zu optimieren.

Der Hauptnachteil der Energiespeicherung am Ausgang ist, dass die geringe Spannung sehr große Kapazitäten erfordert und auch die Leckströme sehr groß werden können, wenn die Kondensatoren nicht exakt gewählt werden.

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