Energy Harvesting Spannungswandler-ASIC versorgt Sensoren und Funsendeempfänger mit aus der Umwelt gewonnener Energie

Mit einem neu entwickelten Spannungswandler auf der Basis von thermoelektrischen Nanokompositen lassen sich aus der Umwelt gewonnene Energien, auch bekannt als Energy Harvesting, für elektrische Kleinstverbraucher verwenden. Der Spannungswandler-ASIC vom Fraunhofer Institut für integrierte Schaltungen kommt mit einer Versorgungsspannung von 20 mV aus.

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Fraunhofer Institut Integrierte Schaltungen

Mit 20 mV Sensoren, RFID-Module, kleine Displays oder Mikrocontroller zu versorgen, erscheint nicht realisierbar. Genau dies ist Ingenieuren des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS jetzt gelungen: mit einem neu entwickelten, weltweit einzigartigen und schon als ASIC miniaturisierten Spannungswandler. Kleinste, beispielsweise aus der Umwelt gewonnene Energien („Energy Harvesting“), können auf diese Weise für elektrische Kleinstverbraucher verwendet werden.

Beim „Energy Harvesting“ nutzt man Energie aus der Umwelt wie Wärme, Bewegung und Licht um elektronischen Schaltungen und Systemen z.B. Sensoren, Funksendeempfängern oder Displays zu versorgen. Mit Hilfe von Energiewandlern wie Thermogeneratoren (Peltierelementen), Piezogeneratoren oder Solarzellen kann die Energie aus der Umgebung in elektrische Energie umgewandelt werden.

Diese Energie wird dann in Batterien oder Kondensatoren gesammelt, um daraus die verschiedenen elektrischen Schaltungen und Kleingeräte zu versorgen. Solche selbstversorgten Systeme brauchen nicht mehr nachgeladen oder gewartet werden. Batteriewechsel oder der Anschluss eines Ladegeräts sind hier überflüssig.

Energie in kleinen Mengen verarbeiten und speichern

Die Schwierigkeit bei dieser Technologie besteht darin, dass die Energie aus der Umwelt nur in sehr geringen Mengen zur Verfügung steht. Weiterhin ist der Wirkungsgrad der verfügbaren Energiewandler sehr niedrig. Letztlich will man auch die Größe des Energiewandlers und damit seinen Preis und das Volumen des versorgten Geräts gering halten.

Die Größe des Wandlers ist entscheidend für die Menge an Energie, die dieser umwandeln kann. Daher stehen nur kleine Mengen an elektrischer Energie zur Verfügung, die dann über längere Zeit gesammelt werden müssen. Die Herausforderung besteht also beim „Energie Harvesting“ darin, kleinste Mengen an elektrischer Energie zu verarbeiten und zu speichern.

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