Wie sich Energie aus der Umwelt praktisch nutzen lässt

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Was sind die Herausforderungen beim Design von Produkten für die Umwandlung von Ernteenergie? Wie ist ihre Strategie?

Traditionell werden die verschiedenen Sensortypen über Kabel versorgt. Heute jedoch ist es möglich, anstelle viele Kabel in der Fabrik zu verlegen, zuverlässig passende Sensoren drahtlos anzubinden, die dann über viele Jahre von einer Batterie versorgt werden oder mit Ernteenergie aus Quellen wie Licht, Vibration oder Temperaturänderungen. Außerdem ist es möglich, Kombinationen aus aufladbaren Batterien und verschiedenen Ernteenergiequellen zu nutzen. Zusätzlich ist es aus Sicherheitsgründen oft erforderlich, die aufladbaren Batterien nicht über Kabel zu laden, sondern über drahtlose Versorgungstechniken.

Moderne und verfügbare Energy Harvesting (EH) bzw. Energieernte Technologien, z.B. aus Vibration oder Solarzellen in Räumen, bieten unter normalen Bedingungen Leistungspegel von Milliwatt. Das klingt wenig, bei Betrieb über Jahre ist die aber vergleichbar mit Long-Life Primärbatterien bezüglich Energiebereitstellung und Kosten pro Energieeinheit. Darüber hinaus laden Energieerntesysteme sich ständig nach der Installation, das ist mit Primärbatterien nicht möglich, die müssen erneuert werden.

Trotzdem nutzen Systeme, die primär auf Ernteenergie beruhen, zusätzlich eine Batterie, auf die umgeschaltet wird, wenn die Ernte ausfällt oder unterbrochen ist. Je nach Endapplikation kommt dann eine aufladbare Batterie oder eine Primärzelle zum Einsatz, die leicht und günstig austauschbar sein sollte, was nicht immer möglich ist. Besser ist es deshalb, aufladbare Batterien einzusetzen. Dann stellen bei der Suche nach der optimalen Lademethode folgende Fragen:

• Kann über Kabel geladen werden?

• Steht genügend Ernteenergie zur Verfügung, um das drahtlose Sensornetzwerk zu versorgen und die Batterie zu laden?

• Ist aus Sicherheitsgründen oder Umweltgegebenheiten (schwieriger Austausch) drahtloses Laden erforderlich?

Egal welche EH-Lösung angestrebt wird, Linears Strategie bietet IC-Lösungen, die die Anforderungen der WSN-Systemdesigner erfüllen und die einfach und schnell deren Wünsche erfüllen.

Welche PMICs eignen sich fürs drahtlose Laden oder Energy Harvesting?

Linear Technology bietet speziell für diese Zwecke zwei ICs an. Der erste ist der LTC3331, ein EH-IC und Batterielaufzeit-Verlängerer. Es handelt sich um eine komplett geregelte EH-Lösung, die bis zu 50 mA kontinuierlichen Ausgangsstrom liefert und die Batterielaufzeit verlängert, wenn keine Ernteenergie verfügbar ist. Er benötigt für die geregelte Versorgung der Last keinen Strom von der Batterie und nur 950 nA, wenn keine Last anliegt. Der LTC3331 enthält eine Hochspannungs-EH-Versorgung und einen synchronen Buck-Boost-DC/DC-Wandler, der von einer aufladbaren Batterie versorgt wird, um unterbrechungsfreie Energie für EH Applikationen wie WSNs zur Verfügung zu stellen.

Die EH-Versorgung des LTC3331 nutzt einen Vollbrückengleichrichter für den AC- oder DC-Eingang, einen hocheffizienten synchronen Buck-Wandler und kann Ernteenergie aus Quellen wie Piezoelementen (AC), Solar (DC) oder Induktion (AC) gewinnen. Ein 10-mA-Shunt ermöglicht die einfache Ladung von Batterien mit Ernteenergie, wobei mittels Schutzfunktion eine Tiefendladung verhindert wird. Die aufladbare Batterie versorgt den synchronen Buck-Boost-Wandler, der an Eingangsspannungen von 1,8 bis 5,5 V arbeitet und der verwendet wird, wenn keine Ernteenergie zur Verfügung steht, um den Ausgang zu regeln, wenn die Eingangsspannung über, unter oder gleich der Ausgangsspannung ist.

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