Wireless Schaltungsentwurf für batteriebetriebene Funkkomponenten

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Elektronische Geräte werden nur dann mobil, wenn zur Stromversorgung dieser Geräte ebenfalls keine Kabel mehr benötigt werden. Hierfür gibt es Lösungen.

Kommunikation per Funk entwickelt sich zum Standard elektronischer Geräte. Mobilität wird aber nur dann erreicht, wenn die Stromversorgung dieser Geräte ebenfalls keine Kabel mehr benötigt.:

Entweder wird die Energie per Energy Harvesting aus einer Energiequelle der Umgebung wie Bewegung, Temperaturunterschied oder elekromagnetische Felder gewonnen, oder es werden Batterien verwendet.

Da Energy Harvesting immer noch vergleichsweise teuer ist und auch nur minimale Energie bereitstellt, ist der Einsatz von Batterien das übliche Mittel der Wahl.

Batterien mit unterschiedlich langer Lebensdauer

Sobald Elektronik von Batterien gespeist wird, ist der Stromverbrauch und damit die Lebensdauer der Batterie ein entscheidendes Entwurfskriterium. Je nach Einsatzzweck soll eine Batterie ein Produkt auch mehrere Jahre mit Energie versorgen.

Ideal sind zum Beispiel bei Rauchmeldern Batterielaufzeiten von zehn Jahren, weil das Gerät nach dieser Zeit ohnehin ausgetauscht werden sollte. Eine Batterielaufzeit von weniger als einem Jahr ist für Consumergeräte kaum noch zu vermitteln.

Der Energiegehalt einer Batterie wird meist in Amperestunden (Ah) angegeben. Wird dieser Wert durch die erwartete Batterielebensdauer geteilt, ergibt sich die maximale Stromaufnahme der durch diese Batterie zu speisenden Elektronik. Diese Berechnung ist leider nur bedingt richtig und maximal als erste grobe Abschätzung der Verhältnisse tauglich. Für eine genauere Abschätzung der Lebensdauer muss eine Reihe von Parametern in Betracht gezogen werden.

Batterien beruhen auf verschiedenen chemischen Stoffen

Batterien auf Basis von Lithiumverbindungen sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihrer günstigen elektrischen Eigenschaften besonders beliebt. Eine günstige Eigenschaft ist, dass Lithium-Zellen im Gegensatz zu Alkaline-Batterien ihre Zellspannung über einen größeren Strombereich konstant halten.

Es ist also möglich, auch größere Lastspitzen aus den Batterien zu entnehmen ohne Spannungseinbrüche befürchten zu müssen. Diese Eigenschaft lässt jedoch mit zunehmender Entladung der Batterie nach. Der Grund dafür ist der größer werdende Innenwiderstand der Batterien.

Abbildung 1 zeigt diesen Innenwiderstand einer CR2032-Knopfzelle in Abhängigkeit von der Restladung (andere Bauformen der CR-Kopfzellen zeigen ein identisches Verhalten). Diese Abhängigkeit ist für die Dimensionierung der Elektronik besonders wichtig.

In der Regel endet die Batteriespeisung nicht damit, dass die Kapazität der Batterie erschöpft ist, sondern weil bei gegebener Stromaufnahme die von der Batterie zur Verfügung gestellte Spannung unter einen Minimalwert fällt, der von der Elektronik zum Betrieb benötigt wird. Eine kurze Rechnung soll dies verdeutlichen:

Eine Elektronik soll mindestens 2,4 V Spannung benötigen und zieht Stromspitzen von 30 mA aus der Batterie. Der Innenwiderstand der Batterie ist in Reihe zum Widerstand der Last. Aus den Kirchhoff´schen und dem Ohm´schen Gesetz folgt damit, dass bei einem Innenwiderstand von 60 Ohm der Batterie die Spannung über der Last unter 2,4 V fällt. Eine solche durchaus übliche elektrische Charakteristik einer Schaltung wird die CR2032-Batterie also zu gerade mal 50% entladen.

Dimensionierung von Schaltung und Batterie

Zur Dimensionierung von Schaltung und Batterie wird also neben dem durchschnittlichen Strom der maximale Strombedarf und die dafür notwendige minimale Betriebsspannung benötigt. Die Ladungsangaben der meisten Batterien beziehen sich in der Regel auf einen konstanten sehr niedrigen Entladestrom, der bei direkter Speisung der Schaltung kaum zu erreichen ist.

Das Ergebnis ist eine deutlich geringere Betriebszeit, je nachdem, wie sensibel die gewählte Batterie auf die maximale Stromaufnahme reagiert. Eine Verbesserung der Situation ist durch Schaltungsmaßnahmen möglich. Step-Up-Wandler können die Batteriespannung auf das für die Schaltung benötigte Minimum heben, benötigen aber dann bei geringeren Spannungen wiederum deutlich höheren Strom zur Bereitstellung der notwendigen Leistung für die Elektronik.

Lithium-Batterien können zwar höhere Ströme liefern, ihre Gesamtladung nimmt dabei aber überproportional ab. Für die CR-Knopfzellen wird in der Regel ein maximaler Entladestrom von 15 mA angegeben. Die Untersuchung von Mathias Jensen „Coin cells and peak current draw“ (Texas Instruments White Paper SWRA349, 2010) zeigt, dass sich bei einem doppelt so hohen Entladestrom die Ladekapazität unabhängig von der höheren Energieentnahme zusätzlich um 10-30% verringert.

Damit sind dem Einsatz von Step-Up-Wandlern gewisse Grenzen gesetzt, weil zum einen zwar bei geringerer Zellspannung noch eine Versorgung der Elektronik gewährleistet wird, zum anderen aber der insgesamt höhere Stromfluss zu noch schnellerer Ermüdung der Batterie führt.

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