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Die Stromversorgung von drahtlosen Sensorknoten aus Umgebungs- oder kostenloser Energie ist attraktiv, weil damit die Notwendigkeit für Batterien oder Leitungen eliminiert werden kann. Dies ist ein klarer Vorteil, wenn der Austausch von Batterien unbequem, teuer oder gefährlich ist.

Der vollständige Verzicht auf Leitungen vereinfacht es auch, Überwachungs- und Steuerungssysteme in großem Stil auszubauen. Energie-erntende drahtlose Sensorsysteme erleichtern die Installation und Wartung in so unterschiedlichen Bereichen wie der Gebäudeautomatisierung, drahtlose/automatische Verbrauchsmessung und vorbeugende Wartung, aber auch in zahlreichen weiteren industriellen, militärischen, automobilen und Konsumelektronikapplikationen. Die Vorteile der Energieernte liegen auf der Hand, aber ein effizientes Energie erntendes System benötigt ein ausgeklügeltes Power-Management-System, um die winzigen Mengen der freien Energie in eine für das drahtlose Sensorsystem nutzbare Form umzuwandeln.

Es geht um den Arbeitstakt

Viele drahtlose Sensorsysteme verbrauchen durchschnittlich nur sehr wenig Leistung, was sie zu bevorzugten Kandidaten für die Stromversorgung mit Energie-erntenden Techniken macht. Viele Sensorknoten werden benutzt, um physikalische Größen zu überwachen, die sich nur langsam ändern. Messungen können deshalb selten durchgeführt und die Werte übertragen werden, was in einem geringen Arbeitstakt resultiert und entsprechend nur eine geringe durchschnittliche Leistung benötigt. Wenn ein Sensorsystem zum Beispiel 3,3 V bei 30 mA (100 mW) benötigt wenn es aktiv ist, dies aber nur 10 ms jede Sekunde ist, dann beträgt der durchschnittliche Leistungsverbrauch nur 1 mW. Dabei wird angenommen, dass der Strom für das Sensorsystem während der inaktiven Zeit auf wenige µA zwischen den Übertragungsimpulsen reduziert ist. Wenn dieses Sensorsystem nur einmal pro Minute statt einmal pro Sekunde misst und die Werte überträgt, sinkt die durchschnittliche Leistung auf unter 20 µW. Dieser Unterschied ist signifikant, weil die meisten Formen der Energieernte nur eine sehr kleine Dauerleistung bieten, normalerweise nicht mehr als einige mW und in einigen Fällen gar nur µW. Je weniger Leistung eine Anwendung benötigt, desto wahrscheinlicher kann sie mit geernteter Energie versorgt werden.

Quellen der Energieernte

Die häufigsten Quellen verfügbarer Energie für die Ernte sind Vibrationen (oder Bewegung), Licht und Wärme. Die Wandler für alle diese Energiequellen haben drei Dinge gemeinsam:

Ihr elektrischer Ausgang ist ungeregelt und eignet sich nicht dazu, elektrische Schaltungen direkt mit Strom zu versorgen.Sie sind keine kontinuierliche, ununterbrochene Energiequelle.Sie erzeugen allgemein nur eine sehr kleine durchschnittliche Ausgangsleistung, üblicherweise im Bereich zwischen 10 µW und 10 mW.

Diese Eigenschaften erfordern ein umsichtiges Power-Management, wenn die Quelle für die Stromversorgung von drahtlosen Sensoren und anderer Elektronik genutzt werden soll.

Power-Management: Das fehlende Glied in der Energieernte-Kette

Bild 1: Eine typische Konfiguration eines drahtlosen Sensorsystems.

Bild 1: Eine typische Konfiguration eines drahtlosen Sensorsystems.Linear Technology

Ein typisches drahtloses Sensorsystem, das mit geernteter Energie versorgt wird, kann in fünf grundlegende Funktionsblöcke aufgeteilt werden, wie in Bild 1 dargestellt. Mit Ausnahme des Power-Managements sind alle diese Funktionsblöcke seit einiger Zeit kommerziell verfügbar. Beispielsweise sind Mikroprozessoren, die mit nur einigen Mikrowatt betrieben werden können und kleine preiswerte HF-Sender und -Empfänger, die ebenfalls nur sehr wenig Leistung benötigen bereits breit verfügbar. Analoge und digitale Sensoren mit geringem Leistungsverbrauch sind ebenfalls allgegenwärtig.

Das fehlende Glied zur Vervollständigung dieser Energie-erntenden Kette war bislang der Leistungswandler/Power-Management-Funktionsblock, der mit einer oder mehreren dieser Quellen von freier Energie arbeiten kann. Eine ideale Power-Management-Lösung für die Energieernte sollte klein und einfach einzusetzen sein sowie zuverlässig arbeiten, während sie von den extrem hohen oder geringen Spannungen betrieben wird, die von den gemeinsamen Energie-erntenden Quellen erzeugt werden, idealer weise hat sie für eine optimale Energieübertragung auch eine gute Anpassung der Last an die Quellimpedanz. Der Power-Manager selbst darf nur sehr wenig Strom verbrauchen, um die gesammelte Energie zu managen und mit einer minimalen Anzahl externer Komponenten die geregelten Ausgangsspannungen zu generieren.

Einige Anwendungen, wie drahtlose HVAC-Sensoren (heating, ventilation, airconditioning, cooling) oder mit Geothermie betriebene Sensoren sind eine weitere besondere Herausforderung für einen Energie-erntenden Leistungswandler. Diese Applikationen erfordern, dass der Energie-erntende Leistungswandler nicht nur mit einer sehr kleinen Eingangsspannung arbeitet, sondern auch mit einer von zwei Polaritäten, da sich die Polarität des Temperaturunterschieds an einem Thermoelektrischen Generator (TEG) ändert. Dies ist ein besonders herausforderndes Problem und bei Spannungen im Bereich von zehn bis hundert mV sind hier Dioden-Brückengleichrichter auch keine Alternative.

Der LTC3109, verfügbar entweder in einem 4 mm x 4 mm x 0,75 mm großen QFN mit 20 Anschlüssen oder im 20-Pin-SSOP, löst das Problem der Energieernte bei extrem geringer Eingangsspannung, unabhängig von der Polarität. Er ist ein kompakter, einfacher, hoch integrierter monolithischer Power-Manager, der mit Eingangsspannungen bis hinunter zu ±30 mV arbeitet. Diese bisher einzigartige Fähigkeit ermöglicht es ihm drahtlose Sensoren mit einem thermoelektrischen Generator (TEG) zu versorgen, der Energie aus Temperaturunterschieden (∆T) von nur 2 °C erntet. Mit Einsatz von zwei kleinen (6 mm x 6 mm) handelsüblichen Aufwärtswandlern und einer Handvoll preisgünstiger Kondensatoren liefert er eine geregelte Ausgangsspannung, die nötig ist, um die heutige Elektronik der drahtlosen Sensoren zu versorgen.

Der LTC3109 nutzt diese Aufwärtswandler und interne MOSFETs, um einen Resonanzoszillator zu bilden, der mit sehr kleinen Eingangsspannungen arbeiten kann. Mit einem Wicklungsverhältnis des Trafos von 1:100 kann der Wandler bei Eingangsspannungen, unabhängig von der Polarität, von nur 30 mV starten. Die Sekundärwicklung des Trafos speist eine Ladungspumpe und einen Gleichrichter, die dazu benutzt werden, den IC zu versorgen (über den VAUX-Pin) und die Ausgangskondensatoren zu laden. Der 2,2-V-LDO-Ausgang ist so ausgelegt, dass er zuerst in die Regelung geht, um einen Low-Power-Mikroprozessor so schnell wie möglich zu versorgen. Danach wird der Haupt-Ausgangskondensator über die VS1– und VS2-Pins auf die programmierte Spannung (2,35 V, 3,3 V, 4,1 V oder 5,0 V) geladen. Damit werden dann die Sensoren, Analogschaltungen, HF-Sender/Empfänger oder sogar ein Superkondensator oder eine Batterie geladen. Der VOUT-Speicherkondensator liefert die Burst-Energie, die für den Lastpuls während des kurzen Arbeitstaktes benötigt wird, wenn der drahtlose Sensor aktiv ist und seine Messwerte überträgt. Ein geschalteter Ausgang (VOUT2), einfach von Host gesteuert, ist ebenfalls vorhanden, um Schaltungen zu versorgen, die keinen Abschaltmodus oder Strom-sparenden Schlafmodus besitzen. Ein Power-Good-Ausgang ist ebenfalls enthalten, um dem Host zu melden, dass die Hauptausgangsspannung nahe an ihrem geregelten Wert ist. Bild 2 zeigt eine Beschaltung des LTC3109.

Bild 2: Beschaltung des LTC3109 für den Betrieb mit einer Eingangspolarität.

Bild 2: Beschaltung des LTC3109 für den Betrieb mit einer Eingangspolarität.Linear Technology

Wenn VOUT geladen und in Regelung ist, wird die geerntete Energie an den VSTORE-Pin umgeleitet, um einen optionalen großen Speicherkondensator oder eine wieder aufladbare Batterie zu laden. Dieses Speicherelement kann dazu verwendet werden, um die Regelung beizubehalten und das System weiter zu versorgen, wenn die Energie-erntende Quelle unterbrochen ist. Ein Shunt-Regler am VAUX-Pin verhindert, dass VSTORE über 5,3 V aufgeladen wird. Bei Einsatz eines typischen 40-mm²-TEG kann der LTC3109 mit so kleinen Temperaturunterschieden von nur 2 °C arbeiten, wodurch er sich für eine Vielzahl von Energie erntenden Applikationen eignet. Ein größerer Temperaturunterschied resultiert darin, dass der LTC3109 einen höheren durchschnittlichen Ausgangsstrom liefern kann. Der Ausgangsstrom des Wandlers abhängig von der Eingangsspannung ist in Bild 3 dargestellt und illustriert die Fähigkeit gleich gut mit Eingangsspannungen unterschiedlicher Polarität zu arbeiten.

Bild 3: Ausgangsstrom des LTC3109 abhängig von der Eingangsspannung.

Bild 3: Ausgangsstrom des LTC3109 abhängig von der Eingangsspannung.Linear Technology

Thermoelektrische Generatoren

TEGs sind einfach thermoelektrische Module, die einen Temperaturunterschied am Bauteil und den dadurch resultierenden Wärmefluss durch sie auf Grund des Seebeck-Effekts in eine Spannung umwandeln. Die umgekehrte Wirkung dieses Phänomens, bekannt als Peltier-Effekt, erzeugt einen Temperaturunterschied wenn man eine Spannung anlegt und ist aus thermoelektrischen Kühlgeräten (TEC, thermoelectric coolers) bekannt. Die Polarität der Ausgangsspannung ist abhängig von der Polarität des Temperaturunterschieds am TEG. Tauscht man die warme mit der kalten Seite des TEG ändert sich auch die Polarität der Ausgangsspannung.

TEGs sind aus Paaren von N- oder P-dotierten Halbleiterplättchen aufgebaut, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und zwischen zwei thermisch leitenden Keramikplatten eingebettet sind. Das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist Bismut-Tellurid (Bi2Te3). Bild 4 zeigt den mechanischen Aufbau eines TEGs.

Bild 4: Typischer mechanischer Aufbau eines TEG.

Bild 4: Typischer mechanischer Aufbau eines TEG.Linear Technology

Einige Hersteller unterscheiden zwischen TEG und TEC. Wenn sie als TEG verkauft werden, bedeutet dies allgemein, dass das Lot, das verwendet wird, um die Paare von Halbleiterplättchen in das Modul zu löten, einen höheren Schmelzpunkt hat, was den Betrieb bei höheren Temperaturen und größeren Temperaturunterschieden ermöglicht und deshalb eine höhere Ausgangsleistung als ein Standard-TEC hat (der üblicherweise auf eine maximale Temperatur von 125 °C begrenzt ist). Die meisten Energieernteapplikationen mit geringem Strombedarf werden jedoch nicht bei hohen Temperaturen oder großen Temperaturunterschieden eingesetzt. TEGs gibt es in einer Vielzahl unterschiedlicher Größen und elektrischen Spezifikationen. Die meisten Module sind quadratisch mit einer Kantenlänge von 10 mm bis 50 mm und üblicherweise 2 mm bis 5 mm dick.

Mehrere Variable steuern, wie viel Spannung ein TEG aus einem gegebenen Temperaturunterschied ∆T erzeugt (proportional zum Seebeck-Koeffizienten). Ihre Ausgangsspannung liegt im Bereich von 10 mV/K bis 50 mV/K des Temperaturunterschieds (abhängig von der Anzahl an Plättchenpaaren) mit einem Quellwiderstand im Bereich zwischen 0,5 Ω bis 10 Ω. Ganz allgemein, je mehr Halbleiterplättchen ein TEG in Reihe besitzt, desto höher ist die Ausgangsspannung für einen gegebenen Temperaturunterschied ∆T. Das Erhöhen der Anzahl der Halbleiterplättchenpaaren erhöht jedoch auch den Reihenwiderstand des TEG, was in einem größeren Spannungsabfall resultiert, wenn aufgeladen wird. Die Hersteller können dies kompensieren, indem sie die Größe und das Design der einzelnen Plättchen so justieren, dass sie einen geringen Widerstand bei höherer Ausgangsspannung sicherstellen. Der thermische Widerstand des TEG ist ein weiterer Faktor, der beachtet werden muss, wenn man ihn auswählt und an einen Kühlkörper anpasst.

Lastanpassung

Bild 5: Vereinfachte Schaltung einer Spannungsquelle, die eine ohmsche Last treibt.

Bild 5: Vereinfachte Schaltung einer Spannungsquelle, die eine ohmsche Last treibt.Linear Technology

Um die maximal verfügbare Leistung aus jeder Spannungsquelle zu erhalten, muss der Lastwiderstand an den Innenwiderstand der Quelle angepasst werden. Dies wird durch das Beispiel in Bild 5 illustriert, in dem eine Spannungsquelle mit einer Leerlaufspannung von 100 mV und ein Quellwiderstand von entweder 1 Ω oder 3 Ω eine ohmsche Last treiben.

Bild 6 zeigt die Leistung, die an den Verbraucher geliefert wird als Funktion des Lastwiderstands. Es kann in beiden Kurven erkannt werden, dass die maximale Leistung dann an den Verbraucher geliefert wird, wenn der Lastwiderstand mit dem Quellwiderstand übereinstimmt.

Bild 6: Ausgangsleistung der Quelle als Funktion des Lastwiderstands.

Bild 6: Ausgangsleistung der Quelle als Funktion des Lastwiderstands.Linear Technology

Der LTC3109 hat einen minimalen Innenwiderstand von rund 2,5 Ω für die Eingangsquelle (man beachte, dass dies der Eingangswiderstand des Wandlers ist und nicht des ICs). Dies fällt in die Mitte des Bereichs der Quellwiderstände der meisten TEGs, was eine gute Lastanpassung für einen nahezu idealen Leistungstransfer bietet. Das Design des LTC3109 ist derart, dass wenn VIN abfällt, der Innenwiderstand ansteigt. Diese Eigenschaft ermöglicht es, dass der LTC3109 recht gut an TEGs mit unterschiedlichen Quellwiderständen adaptiert werden kann.

Auswahl eines TEG zur Energiegewinnung

Die meisten Hersteller von thermoelektrischen Modulen geben keine Informationen über die Ausgangsspannung oder Ausgangsleistung bezüglich der Temperaturunterschiede heraus, was aber genau das ist, was der Entwickler eines thermischen Energieerntesystems haben möchte. Weitere TEG-Parameter die hilfreich wären sind der elektrische (AC-) Widerstand und der thermische Widerstand. Diese werden ebenfalls nicht immer herausgegeben. Zwei Parameter, die immer verfügbar sind, sind VMAX and IMAX, also die maximale Betriebsspannung und der maximale Betriebsstrom für ein bestimmtes Modul (wenn es in einer Heiz- oder Kühlanwendung eingesetzt wird). Das Teilen von VMAX durch IMAX ergibt eine Annäherung für den elektrischen Widerstand des Bauteils.

Wenn ein großer Wärmefluss verfügbar ist und eine ausreichende Wärmeabführung an einer Seite des TEG gewährleistet ist, ist es ein guter Daumenwert, wenn man ein thermoelektrisches Modul für die Aufgabe der Leistungsgenerierung auswählt, dass man das Modul mit dem höchsten Ergebnis von (VMAX • IMAX) für eine bestimmte Größe wählt. Dies ergibt allgemein die höchste TEG-Ausgangsspannung und den geringsten Quellwiderstand. Ein Widerspruch für diesen Daumenwert ist die Tatsache, dass der Kühlkörper entsprechend der Größe des TEG ausgelegt sein muss. Größere TEGs erfordern deshalb größere Kühlflächen, um ihre optimale Leistung zu erzielen. Man beachte, dass der elektrische Widerstand, wenn gegeben, als ein AC-Widerstand spezifiziert ist, weil er nicht auf konventionelle Weise über einen Gleichstrom gemessen werden kann, da ein DC-Strom eine Seebeck-Spannung generiert, was in fehlerhaften Widerstandsmesswerten resultiert. Für Applikationen die nur einen begrenzten Wärmefluss zur Verfügung haben und/oder kleinere Kühlkörper verwenden müssen, ist es an besten, einen TEG zu wählen, dessen thermischer Widerstand dem des größten Kühlkörpers, der verwendet werden kann, entspricht.

Bild 7: Leerlaufspannung und maximale Verlustleistung eines 30-mm²-TEG.

Bild 7: Leerlaufspannung und maximale Verlustleistung eines 30-mm²-TEG.Linear Technology

Bild 7 zeigt die Ausgangsspannung und maximale Ausgangsleistung für einen 30-mm²-TEG bei einem Temperaturwechsel ∆T von 1 °C auf 20 °C. Die Ausgangsleistung variiert in diesem Bereich von hunderten von Mikrowatt bis zu einigen zehn Milliwatt. Man beachte, dass die Leistungskurven von einer idealen Lastanpassung ohne Wandlungsverluste ausgehen. Schließlich ist die verfügbare Ausgangsleistung, nachdem sie vom LTC3109 auf eine höhere Spannung gewandelt wurde, auf Grund von Wandlungsverlusten geringer. Das Datenblatt des LTC3109 liefert mehrere Diagramme der verfügbaren Ausgangsleistung bei mehreren unterschiedlichen Betriebsbedingungen.

Die erforderliche Größe des TEG für eine bestimmte Applikation hängt vom minimal verfügbaren ∆T ab und der maximalen durchschnittlichen Leistung, die der Verbraucher benötigt und auch des thermischen Widerstands des Kühlkörpers, der benutzt wird, um eine Seite des TEG auf Umgebungstemperatur zu halten.

Thermische Betrachtungen

Wenn man einen TEG zwischen zwei Oberflächen mit unterschiedlichen Temperaturen platziert, dann ist der Leerlauf-Temperaturunterschied bevor der TEG hinzugefügt wird, höher als der Temperaturunterschied über den TEG, wenn er an seinem Platz sitzt. Dies wegen der Tatsache, dass der TEG selbst einen ziemlich geringen thermischen Widerstand zwischen seinen Platten aufweist (typisch 1 °C/W bis 10 °C/W).

Betrachtet man zum Beispiel die Situation in der ein großes Maschinenteil mit einer Oberflächentemperatur von 35 °C in einer Umgebungstemperatur von 25 °C läuft. Wenn ein TEG an der Maschine angebracht wird, muss ein Kühlkörper auf der kühlen (Umgebungstemperatur) Seite des TEG eingesetzt werden, sonst würde der gesamte TEG auf nahezu 35 °C aufgeheizt, was jeden Temperaturunterschied beseitigt. Man muss sich in Erinnerung rufen, dass es der Wärmefluss durch den TEG ist, der die elektrische Ausgangsleistung generiert.

In diesem Beispiel diktieren der thermische Widerstand des Kühlkörpers und des TEG, welcher Anteil des gesamten ∆T am TEG existiert. Ein einfaches thermisches Modell des Systems ist in Bild 8 dargestellt.

Bild 8: Thermisches Widerstandsmodell eines TEG und Kühlkörpers.

Bild 8: Thermisches Widerstandsmodell eines TEG und Kühlkörpers.Linear Technology

Angenommen der thermische Widerstand der Wärmequelle (RS) ist vernachlässigbar, der thermische Widerstand des TEG (RTEG) beträgt 6 °C/W und der thermische Widerstand des Kühlkörpers ebenfalls 6 °C/W, dann beträgt der resultierende Temperaturunterschied ∆T am TEG nur 5 °C. Die geringe Ausgangsspannung von einem TEG bei nur einigen wenigen Grad Temperaturunterschied hebt die Bedeutung der Fähigkeit des LTC3109 besonders hervor, mit extrem kleinen Eingangsspannungen arbeiten zu können.

Man beachte, dass große TEGs wegen der größeren Oberfläche üblicherweise einen geringeren thermischen Widerstand besitzen als kleinere. Deshalb wird in Anwendungen bei denen ein relativ kleiner Kühlkörper auf einer Seite des TEG verwendet wird, ein größerer TEG einen geringeren Temperaturunterschied über sich haben als ein kleinerer und kann deshalb nicht unbedingt eine höhere Ausgangsleistung erzeugen. Auf alle Fälle maximiert der Einsatz eines Kühlkörpers mit dem geringsten möglichen thermischen Widerstand die elektrische Ausgangsleistung, da der Temperaturabfall über dem TEG maximiert wird.

In Applikationen in denen größere Temperaturunterschiede (zum Beispiel höhere Eingangsspannungen) verfügbar sind, kann ein kleineres Wicklungsverhältnis des Trafos, wie 1:50 oder 1:20, verwendet werden, um höhere Ausgangsströme zu generieren. Als allgemeine Regel gilt, wenn die minimale Eingangsspannung mindestens 50 mV unter der Last liegt, dann wird ein Wicklungsverhältnis von 1:50 empfohlen. Wenn die minimale Eingangsspannung mindestens 150 mV beträgt, dann ist ein Wicklungsverhältnis von 1:20 empfehlenswert.

Ultra-Low-Power-Applikationen mit Stützbatterie

Einige Applikationen arbeiten kontinuierlich. Solche Anwendungen werden traditionell von einer kleinen Primärbatterie versorgt, wie zum Beispiel einer 3-V-Lithium-Knopfzelle. Wenn die Ansprüche an die Stromversorgung jedoch gering genug sind, dann können diese Applikationen auch kontinuierlich von der thermischen Energieernte versorgt werden, oder sie nutzen die thermische Energieernte, um die Betriebsdauer der Batterie wesentlich zu verlängern, was Wartungskosten einspart. In dem Fall dass die gesamte Elektronik weniger Leistung verbraucht, als die geerntete Energie liefert, kann der LTC3109 die Last kontinuierlich versorgen, solange es einen Temperaturunterschied am TEG gibt. Unter diesen Bedingungen gibt es keine Last an der Batterie. In Zeiten, in denen nur ungenügend geerntete Energie verfügbar ist, übernimmt die Stützbatterie nahtlos die Versorgung des Verbrauchers.

Tony Armstrong und Dave Salerno

: sind Mitarbeitger im Bereich Power Products der Linear Technology Corporation in USA.

(jj)

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