Schaltungen zur Energieernte aus piezoelektrischen und thermischen Quellen entwickeln

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Die Warmlaufzeit bei der ersten Messwertübertragung optimieren

Der LTC3588-1 hat einen Ruhestrom von 450 nA wenn sein VIN unter dem ansteigenden UVLO-Schwellwert liegt und der Ausgang nicht in Regelung ist, so dass die maximale geerntete Energie vollständig zum Laden des Eingangskondensators verwendet werden kann. Die erste Messwertübertragung wird länger dauern als die folgenden Übertragungen, weil der Eingangskondensator von Grund auf neu startet und nicht vom fallenden UVLO-Schwellwert aus. Die Start-up-Zeit, TSTART_UP, für den ersten Puls ergibt sich nach:

TSTART-UP = 0,5*CIN*(VUVLO_RISING)2 / PAVG = 0,5 * 736 µF * (5,0)2 / 12,2 µW = 754,1 s (12,5 min).

Wenn diese Zeit nicht akzeptabel ist, kann man zur permanenten Energiespeicherung Dünnschichtbatterien oder andere geeignete Batteriearten hinzufügen. Dünnschichtbatterien sind von Herstellern wie Infinite Power Solutions, Cymbet Corporation, Autec Power Systems und GS Nano Tech Company erhältlich. Wenn man Dünnschichtbatterien in die Applikation integriert, kann die Shunt-Lade/Batterie-Abschalt-Schaltung LTC4071 eingesetzt werden, um die Dünnschichtbatterie vor Zerstörung zu schützen, die durch Tiefentladung hervorgerufen wird, was normalerweise eine Funktion der Batterieschutzschaltung ist.

Energy Harvesting aus thermischen Quellen

Der Baustein LTC3109 ist ein Aufwärtswandler- und Powermanagementbaustein mit geringem Leistungsverbrauch und wurde von Linear speziell dafür entwickelt, überschüssige Energie aus Eingangsquellen mit extrem kleinen bipolaren Spannungen wie thermoelektrischen Generatoren (TEG – entspricht vom Aufbauprinzip her einem Peltier-Element) zu ernten und zu managen (Bild 6).

Seine Topologie arbeitet mit Eingangsspannungen bis 30 mV. So kann der Halbleiterbaustein Energie aus einem thermoelektrischen Generator mit einem Temperaturunterschied von 1°C ernten – was eine diskret aufgebaute Implementierung wegen ihres hohen Ruhestroms nicht leisten kann.

Systemstromversorgung ohne Batterien

Die in Bild 7 dargestellte Schaltung verwendet einen kleinen Transformator zur Aufwärtswandlung, um die Eingangsspannung der Quelle für einen Powermanagement-Baustein zu verstärken, der dann eine vollständige Powermanagement-Lösung für drahtlose Messungen und Datenerfassungen darstellt. Der Baustein ist in der Lage, eine Systemstromversorgung ohne Batterien zu generieren.

Der Chip beinhaltet zwei im Sperrschichtbetrieb arbeitende N-Kanal-MOSFETs, die einen Resonanzwandler mit einem externen Transformator und einem kleinen Koppelkondensator bilden.

Eingangsspannungen von ±30 mV verstärken

Damit lassen sich Eingangsspannungen von ±30 mV hoch genug verstärken, um mehrere geregelte Ausgangsspannungen zur Versorgung weiterer Schaltungen zu erzeugen.

Die Frequenz des Oszillators wird hauptsächlich durch die Induktivität der Sekundärwicklung des Transformators und der Eingangskapazität des Schaltkreises bestimmt. Die resultierende Resonanzfrequenz liegt typischerweise im Bereich zwischen 10 und 100 kHz.

Für Eingangspannungen von ±30 mV wird ein Wicklungsverhältnis des Transformators von rund 1:100 empfohlen.

Für höhere Eingangsspannungen kann ein kleineres Wicklungsverhältnis verwendet werden.

Bei den erwähnten Transformatoren handelt es sich um Standardbauteile, die ab Lager verfügbar sind und von vielen verschiedenen Herstellern angeboten werden.

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