Schaltungen zur Energieernte aus piezoelektrischen und thermischen Quellen entwickeln

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Welches Piezoelement ist nun das Passende?

In diesem Beispiel erfolgt die Übertragung einmal pro Minute. Die vom Umformer benötigte durchschnittliche Leistung beträgt damit 3,8 µW (227 µJ/60 s). Auf Basis dieser Energiemenge lassen sich geeignete Piezoumformer aussuchen. Eine hilfreiche Angabe, die vom Hersteller des Piezoelements benötigt wird, ist die Leerlaufspannung gegen den Spitzen-G-Pegel für eine vorgegebene Spitzenmasse und Resonanzfrequenz. Durch Überprüfen dieser Leerlaufspannungsdaten und Kenntnis der Anlaufspannung für den Powermanagementbaustein kann der Systementwickler feststellen, ob das Piezoelement den drahtlosen Sensorknoten einschalten kann.

Als Beispiel, werden hier der Piezoumformer V21BL von Mide und die aus Piezoelementen Energie beziehende Stromversorgung LTC3588-1 von Linear Technology genommen. Bild 4 zeigt im Labor gewonnene Werte für die Leerlaufspannung gegen den Spitzen-G-Pegel mit einer Spitzenmasse von 0,22 g und einer Resonanzfrequenz von 120 Hz für den Piezotransducer V21BL von Mide.

Bild 5 enthält eine gepulste Testlastschaltung, die den LTC3588-1 benutzt, wobei alle Energie, die im Kondensator am Eingang, CSTORAGE, gespeichert wird, zwischen Spannungen von VIN_UVLO_RISING und VIN_UVLO_FALLING an den Ausgang übergeben und in der LED verbraucht wird.

In einem WSN würde die gespeicherte Energie wie beschrieben dazu verwendet, den Mikroprozessor, Sensor und Sender zu versorgen. Der LTC3588-1 hat, abhängig vom Einstellpunkt der Ausgangsspannung zwei Eingangs-UVLO-rising- und drei UVLO-falling-Einstellungen. Für den 3,3-V-Ausgang ist der ansteigende UVLO-Schwellwert 5,05 V und der fallende UVLO-Schwellwert 3,6 V.

Durchschnittliche Leistung am Ausgang des Piezoelements berechnen

Die Schaltung in Bild 5 wird benutzt, um die verfügbare Leistung von einem Piezoelement für den LTC3588-1 zu bestimmen. Wenn 0,73 g Spitze bei einer Frequenz von 120 Hz an das Piezoelement angelegt werden, dauert es 18,5 s bis der 36-µF-Eingangskondensator vom fallenden UVLO-Schwellwert auf den steigenden UVLO-Schwellwert aufgeladen wurde. Damit kann die im Eingangskondensator gespeicherte Energie E und die durchschnittliche Leistung am Ausgang des Piezoelements berechnet werden:

Energie = ½*Cstorage*(VUVLO_rising2 – VUVLO_falling2)

= ½*36 µF*(5,052 – 3,62) = 226 µJ.

Zufällig ist die im Eingangskondensator dieser Testschaltung gespeicherte Energie (226 µJ) in etwa gleich der benötigten Energie des vorher beschriebenen modellierten drahtlosen Sensorknotens (227 µJ). Die durchschnittliche Leistung vom piezoelektrischen Umformer bei 120 Hz und 0,73 g beträgt 12,2 µW.

Der Leistungsbedarf der Applikation basierend auf einem Übertragungsintervall von 60 s beträgt nur 3,8 µW. Diese Analyse enthält keine Auswirkung des Ruhestroms der Applikation, die, wenn sie nicht minimiert wird, die Ladezeit drastisch verlängert und damit die Übertragungsrate deutlich verringert. Wenn der Ruhestrom extrem klein gehalten wird, kann dieses Piezoelement rund dreimal so oft übertragen als bei den hier gewählten 60 s, was einem Wert von einmal alle 20 s entspricht.

Größe der Ein- und Ausgangskondensatoren festlegen

Wenn man die Größe des Ausgangskondensators festlegt, wird angenommen, dass die Applikation bei Spannungen zwischen 3,3 und 3,0 V arbeitet, so dass die benötigte Energie auch in diesem engen Spannungsbereich gespeichert werden muss. Die vom Ausgangskondensator benötigte Energie muss die grundlegende Netzwerkkonfiguration berücksichtigen, die die dreifache Energie einer einzigen Datenübertragung verbraucht. Der kleinste Ausgangskondensator Cout_min, kann dann mit folgender Formel berechnet werden:

Cout_min = Eout *2 / (Vhigh2 – Vlow2) = (3* 227,7 µJ) *2 / (3,32 – 3,02) = 723 µF.

Für die Auswahl des Eingangskondensators gibt es mehrere Möglichkeiten. Wenn es die Applikation erfordert, dass der Ausgangskondensator bei jedem ansteigendem UVLO-Ereignis geladen wird, muss der Eingangskondensator genug Energie in der Eingangs-UVLO-Hysterese speichern, um den Ausgangskondensator zu laden und den Verbraucher zu versorgen. Alternativ kann es für den Ausgangskondensator möglich sein, bei mehreren ansteigenden UVLO-Ereignissen geladen zu werden. In diesem Falle sind wesentlich kleinere Werte des Eingangskondensators ausreichend. Die Gleichung zum Bestimmen der minimalen Eingangskapazität ist damit:

Cin > (Eout/Eff + 0,5*Cout*Vout_peak2) / (0,5*(5,052 – 3,62)) = ((3*227,7 µJ) + 0,5*723 µF*3,32) / (0,5*(5,052 – 3,62)) = 736 µF.

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