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Aufbau von Funksensoren

Funksensoren, egal ob für standardisierte Funkprotokolle wie IEEE 811.15.4, Z-Wave, Wireless-M-Bus oder Enocean sind meist gleich aufgebaut. Sie bestehen aus einem Mikroprozessor mit flüchtigem und nichtflüchtigem Speicher; gern auch als System on Chip (SoC), einem Kommunikationsradio mit Sende- und Empfangsfunktion sowie der eigentlichen Sensorik- bzw. Aktorik.

Je nach Technologie können noch spezielle Schaltungen zur Stromversorgung hinzukommen insbesondere dann, wenn mehrere Spannungen für die Elektronik benötigt werden oder die Betriebsspannung der Elektronik nicht mit der Nennspannung der eingesetzten Batterie übereinstimmt.

Um eine Elektronik mit Batterien speisen zu können, muss diese über einen besonders geringen Ruhestrom verfügen. Meist werden Teile der Elektronik oder die gesamte Schaltung abgeschaltet und nur bei Bedarf aktiviert.

Viele Prozessoren verfügen über einen Schlafmodus, in dem nahezu alle Funktionen außer einem Timer abgeschaltet sind. Die in diesem Ruhemodus abgenommene Energie ist die erste wichtige Entwurfsgröße.

Verschiedene Betriebsphasen der Elektronik

Heutige SoCs der oben genannten Funktechniken benötigen im Tiefschlafmodus ca. 1 µA Strom bei einer Betriebsspannung von 2-3 V. Im Schaltungsentwurf muss sichergestellt werden, dass alle nicht benötigten, aber energieverbrauchenden Teile einer Schaltung abgeschaltet oder in einen Tiefschlafmodus versetzt werden können. Besonderes Augenmerk ist hier auf Pull-Up-Widerstände, Spannungsteiler, etc. zu legen, die alle sehr hochohmig ausgelegt oder per MOSFET abschaltbar sein sollten.

Da eine Elektronik im Tiefschlafmodus wenig Nutzen hat, wird es immer Modi geben, in denen die CPU arbeitet und der Transceiver aktiv ist. Viele Sensoren durchlaufen eine solche Aktivphase in ähnlicher Art und Weise. Abbildung 3 zeigt die typische Stromaufnahme, hier für eine Funkfernbedienung mit der Funktechnik Z-Wave. Für derartige Aufzeichnungen eignet sich ein gutes Speicheroszilloskop oder ein spezieller Batteriestromlogger, wie er zum Beispiel im Beitrag „Batteriemessgerät für Smart-Home-Produkte im Eigenbau“ von Christian Rossberg und Christian Pätz (ELEKTRONIKPRAXIS 1/2014, S.54f; Registrierung erforderlich) vorgestellt wurde.

Deutlich sind verschiedene Betriebsphasen zu erkennen: Die kurzen Stromspitzen entstehen durch das Aussenden von Funksignalen, der obere Wert von ca. 30 mA bedeutet, dass der Radioempfänger aktiv ist, während der untere Wert von ca. 15 mA eine aktive CPU anzeigt. Die weitere Stromspitze direkt nach dem Aktivieren der CPU entsteht durch LEDs, Zugriffe auf einen externen EEPROM und andere Peripheriekomponenten. Da Z-Wave ein rückbestätigendes Funkprotokoll ist, muss der Empfänger nach dem Aussenden von Funksignalen länger aktiv bleiben.

Aus Abbildung 3 wird ersichtlich, dass eine solche Rückbestätigung zwar aus Kommunikationsgründen wünschenswert oder sogar zwingend notwendig ist, aus energetischen Gründen jedoch sehr teuer ist. Die kurzen Sendeimpulse definieren zwar den maximalen Strombedarf, dieser wird aber nur vergleichsweise kurz benötigt und ist daher weniger „teuer“.

Optimierungspotenzial in puncto Energiebedarf

Ein derartiger Stromverbrauchsverlauf hat Optimierungspotenzial. Pufferkondensatoren entsprechender Kapazität können die hohen Stromspitzen beim Senden abfedern und damit in der Praxis den maximalen Strombedarf auf den Wert begrenzen, der beim eingeschalteten Empfänger benötigt wird. Der Empfänger muss nur eingeschaltet sein, wenn dies auch wirklich notwendig ist. Auch die CPU muss so bald wie möglich nach Beendigung der Kommunikation wieder deaktiviert werden, wenn keine weiteren Aufgaben abgearbeitet werden müssen.

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* Prof. Dr.-Ing. Christian Pätz ist Stiftungsprofessor für Systemzuverlässigkeit an der TU Chemnitz

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