Das „ernten“ von Energie aus Quellen, die in der Umgebung vorhanden sind, öffnet neue potenzielle Möglichkeiten für Stromversorgungsanwendungen, die damit völlig ohne Verdrahtung oder Batterien auskommen, oder die – zumindest – die Betriebszeit von Batterie betriebenen Systemen verlängern. Die erfolgreiche Implementierung einer Energie erntenden Lösung erfordert jedoch ein detailliertes Verständnis der Eigenschaften der vorhandenen Energiequelle und der Energiemenge, die der Energie-erntende Energiewandler-Baustein an seinem Ausgang liefern kann sowie auch der Leistung, die das System benötigt.

Energiequellen, die in unserer Umgebung vorhanden sind, sind Licht, Temperaturunterschiede, mechanische Schwingungen, Hochfrequenzsignale während der Übertragung sowie jede andere Quelle, die eine elektrische Ladung mit einem Signalwandler (Transducer) erzeugen kann. Alle diese Energiequellen umgeben uns und können mit einem geeigneten Wandler ihre Energie in elektrische umsetzen. Geeignete Wandler sind zum Beispiel, wenn ein Temperaturunterschied vorhanden ist, thermoelektrische Generatoren (TEG), bei mechanischen Schwingungen ein piezoelektrisches Element, eine fotovoltaische Zelle für Sonnenlicht (oder Innenbeleuchtung) und sogar solche, die galvanische Energie aus Feuchtigkeit erzeugen. Diese so genannten „kostenfreien“ Energiequellen können verwendet werden, um elektrische Komponenten und Systeme autonom mit Strom zu versorgen.

Die typische Konfiguration eines Energie erntenden Systems oder drahtlosen Sensorknotens (WSN = wireless sensor node) besteht aus vier Funktionsblöcken, und zwar:

  • einer Energiequelle in der Umgebung,
  • einem Wandlerelement und einer Schaltung zur Leistungsumsetzung, die die nachfolgende Elektronik versorgt,
  • eine Messkomponente, die den Sensorknoten mit der realen Welt verbindet sowie einem Rechenelement, das aus einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller besteht, der die Messdaten verarbeitet und in einem Speicher ablegt,
  • eine Kommunikationskomponente, die zur drahtlosen Kommunikation mit benachbarten Knoten und der Außenwelt aus einer Funkverbindung mit kurzer Reichweite besteht.
Bild 1: Die Hauptfunktionsblöcke eines typischen Energie-erntenden Systems oder drahtlosen Sensorknotens.

Bild 1: Die Hauptfunktionsblöcke eines typischen Energie-erntenden Systems oder drahtlosen Sensorknotens.Linear Technology

Ist die elektrische Energie einmal erzeugt, kann sie mit einer Energie-erntenden Schaltung in eine geeignete Energieform umgesetzt und modifiziert werden, um die nachfolgende Elektronik zu versorgen. Auf diese Weise kann ein Mikroprozessor einen Sensor „aufwecken“ um eine Messwert aufzunehmen oder eine Messung durchzuführen, die dann mit einem Analog/Digital-Wandler zur Übertragung mit einem drahtlosen Sender mit extrem geringer Verlustleistung manipuliert werden kann.

Es gibt bereits viele unterschiedliche Anwendungen der Energieernte um uns herum. Beispiele dafür sind: Reifenverschleiß-/Reifendrucküberwachung, induktiv gekoppelte Smart-Grid-Überwachung, Klimaanlagen- und Beleuchtungssteuerungssysteme. In Kürze werden auch die Überwachung der Klimaanlagen von Flugzeugen und Güterverfolgungssysteme dazu kommen.