Bild 1: Der Energy-Harvesting-Chip  LTC3588-1  ist optimiert für Quellen hoher Impedanz wie etwa piezoelektrische Bauteile.

Bild 1: Der Energy-Harvesting-Chip LTC3588-1 ist optimiert für Quellen hoher Impedanz wie etwa piezoelektrische Bauteile. Linear

Moderne Ultralow-Power-Mikrocontroller verfügen über spezielle stromsparende Betriebsarten wie beispielsweise den Power-down- oder den Idle-Modus. Ihr Stromverbrauch ist so gering, dass sie inklusive angeschlossener Sensoren ohne festen Stromanschluss allein mit Batterien betrieben werden können. Allerdings verursacht der regelmäßige Austausch der Batterien Kosten und ist zudem wartungsaufwendig. Eine effektivere Lösung ist deshalb die Nutzung von mechanisch, thermisch, oder elektromechanisch gewonnener Energie (Energy Harvesting ) direkt am Sensor.

Bild 2: Die grundlegenden Komponenten eines Systems zur Energiegewinnung aus der Umgebung

Bild 2: Die grundlegenden Komponenten eines Systems zur Energiegewinnung aus der Umgebung Linear

Linear bietet mit dem  LTC3588-1 (Bild 1) eine komplette Lösung für Energy Harvesting, die für den Betrieb an Quellen hoher Impedanz wie etwa piezoelektrische Wandler optimiert ist. Der Baustein enthält einen verlustarmen Vollwellen-Brückengleichrichter sowie einen synchronen Abwärtswandler, der Lasten bis 100 mA unterstützt.

Energiequellen in der Umgebung

Bild 3: Schaltungsbeispiel für Energy Harvesting mit einem piezoelektrischen Element.

Bild 3: Schaltungsbeispiel für Energy Harvesting mit einem piezoelektrischen Element. Linear

Zu den nutzbaren Energiequellen in der Sensorumgebung zählen Licht, Temperaturunterschiede, Vibration, HF-Signale oder jede andere Quelle, mit deren Hilfe sich elektrische Ladung erzeugen lässt. Dazu einige Beispiele:

  • Kleine Solarpanels eignen sich zur Langzeitversorgung von mobilen Geräten. Sie können zwischen 100 mW/cm² bei direktem Sonnenlicht und mehren 100 µW/cm² bei indirektem Licht produzieren.
  • Sogenannte Seebeck-Zellen erzeugen elektrische Energie, wenn ein Temperaturunterschied vorliegt. Wärmequellen können etwa der menschliche Körper sein mit mehreren 10 µW/cm² oder auch ein Auspuff mit mehreren 10 mW/cm².
  • Piezoelektrische Bauteile produzieren elektrische Energie durch Dehnung oder Stauchung, je nach Größe und Konstruktion liefern sie mehrere 100 µW/cm².
  • HF-Energiequellen werden mit Antennen angezapft und bringen es auf mehrere 100  pW/cm².
Bild 4: Schaltungsbeispiel für Energy Harvesting mit einem thermoelektrischen Element.

Bild 4: Schaltungsbeispiel für Energy Harvesting mit einem thermoelektrischen Element. Linear

Ein völlig selbstversorgtes drahtloses Sensorsystem erfordert stromsparende Mikrocontroller und Wandler, die mit nur minimaler elektrischer Energie auskommen. Bild 2 zeigt ein Energy-Harvesting-System mit Energiequelle und Energiewandler (Transducer), Energiespeicher und Spannungswandler,  der die gespeicherte Energie in eine brauchbare geregelte Spannung umsetzt. Das Gleichrichternetzwerk zwischen Transducer und Speicher ist erforderlich, um  eine Rückspeisung in den Energiewandler zu verhindern, sowie zur Gleichrichtung der Wechselspannung im Falle des Betriebs mit einem Piezoelement.

Typische Anwendungsbeispiele

Bild 5: Schaltungsbeispiel für Energy Harvesting aus dem elektrischen Feld einer Neonlampe.

Bild 5: Schaltungsbeispiel für Energy Harvesting aus dem elektrischen Feld einer Neonlampe. Linear

Der  LTC3588-1 benötigt vom Energiewandler eine Spannung oberhalb der Unterspannungsabschaltungsschwelle (UVLO). Für den maximalen Energietransfer muss der Transducer eine Leerlaufspannung doppelt so hoch wie der Eingangsspannungsbereich liefern können und einen Kurzschlussstrom doppelt so groß wie der Eingangsstrom. Diese Anforderungen müssen jederzeit erfüllt sein, um eine kontinuierliche Ausgangsleistung zu erzielen. Welche konkreten Energy-Harvesting-Möglichkeiten es gibt, zeigen die folgenden Beispiele:

Piezoelektrische Bauteile: Bild 3 zeigt ein Piezosystem, das in einer Luftströmung 100 µW bei 3,3 V erzeugt. Die Biegung des piezoelektrischen Elements beträgt dabei 0,5 cm mit einer Frequenz von 50 Hz.

Seebeck-Zellen:  Bild 4 zeigt ein Energy-Harvesting-System mit einem Seebeck-Transducer von Tellurex. Temperaturunterschiede erzeugen eine Ausgangsspannung, die eine 300-mW-Last versorgen kann. Der Anschluss des Transducers am PZ1-Eingang verhindert einen Rückfluss in das Seebeck-Element, wenn die thermische Quelle nicht liefert. Der 100-Ω-Widerstand dient zur Strombegrenzung in der Eingangsbrücke des LTC3588-1.

Energy-Harvesting aus dem elektrischen Feld einer Neonlampe: Bild 5 zeigt, wie sie Energie aus dem elektrischen Feld, das eine Neonröhre umgibt, ernten lässt. Zwei 12 Zoll x 24 Zoll messende Kupferplatten werden dabei im Abstand von 6 Zoll vom Leuchtkörper montiert. Die Kupferplatten ernten dann kapazitiv 200 µW von dem umgebenden elektrischen Feld, und der LTC3588-1 erzeugt daraus eine geregelte Ausgangsspannung.

Eck-Daten

Der LTC3588-1 von Linear ermöglicht durch Energy Harvesting den Betrieb von Sensoren ohne Batterie. Er enthält unter anderem einen verlustarmen Brückengleichrichter, einen synchronen Abwärtswandler, sowie eine Wake-Up-Funktion für den Mikrocontroller, wenn Energie zur Verfügung steht. Der LTC3588-1 versorgt zusammen mit nur fünf externen Komponenten Lasten mit bis zu 100 mA.