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

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Neuer Spannungswandler für 20 mV

Beim Nutzen von Wärmeenergie bedeuten kleine Temperaturunterschiede, die der Thermogenerator in eine Spannung umwandelt, kleine Ausgangsspannungen des Thermogenerators. Typisch sind z.B. 10 mV/K für einen 20 mm × 20 mm großen Thermogenerator.

Herkömmliche elektronische Geräte und Instrumente benötigen aber typischer Weise mindestens 1,8, 3,3 oder 5 V. Die Schaltschwelle von gängigen Transistoren liegt zum Beispiel bei 0,5 V. Das bedeutet, dass mit niedrigen Temperaturunterschieden und einem kleinen Thermogenerator keine elektronische Schaltung versorgt werden könnte. Die Alternative ist ein neuer Spannungswandler, der bereits mit 20 mV arbeiten kann und daraus z.B. 3,3 V erzeugt.

Wirkungsgrad bis 80%

Mit diesem Spannungswandler lassen sich Sensoren wie Pulsoximeter und EEG-Geräte durch den Wegfall von Akkus deutlich verkleinern und permanent tragen; Thermostate zur Raumklimasteuerung messen energieautark und übermitteln die Daten drahtlos an die Klimaanlage. Dies sind nur wenige der denkbaren Einsatzmöglichkeiten des Spannungswandler-ICs.

Der 1,5 mm × 1,5 mm große IC (Bild 1) versorgt Elektronik wie Sensoren, drahtlose Funk-Sendeempfänger und Displays mit Spannungen bis zu 3,3 V. Der Wirkungsgrad liegt dabei je nach Differenz der Ein- und Ausgangsspannung bei 30 bis zu 80%.

Dies ist weltweit die erste Lösung, die mit einer Versorgungsspannung von 20 mV auskommt. Neben dem ASIC werden lediglich ein kleiner Trafo und zwei Kondensatoren zusätzlich benötigt. Genutzt werden kann ein 20 mm × 20 mm großer Thermogenerator, welcher zusammen mit dem Chip bei einem Temperaturunterschied von 2°C bis zu 4 mW Leistung liefert. Ein solcher Temperaturunterschied besteht zum Beispiel zwischen der menschlichen Hand und dem Raumklima. Wird die gewonnene Energie über längere Zeit gesammelt und in einer Batterie gespeichert, können damit auch größere Energieverbraucher wie mp3-Player oder PDAs betrieben werden.

Die Kombination JFET und Transformator macht‘s

Die Schlüsselkomponenten des Spannungswandlers sind ein selbstleitender Transistor (JFET – Junction Field Effect Transistor) in Kombination mit einem Transformator. Beides sind herkömmliche elektronische Bauteile, die schon seit langem bekannt sind. Erst durch deren Kombination wird die niedrige Versorgungsspannung erreicht.

Weiterhin wurden unterschiedliche Schaltungstechniken im ASIC verwendet, um den Energieverbrauch auf ein Minimum zu begrenzen und damit den Wirkungsgrad des Spannungswandlers zu maximieren. Hierdurch wird erreicht, dass möglichst viel der aus der Umwelt gewonnenen Energie für den eigentlichen Verbraucher wie beispielsweise einen Sensor verwendet werden kann oder in einer Batterie gespeichert werden kann.

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