Stromversorgungen für das Internet der Dinge

Das Internet der Dinge verbindet Geräte miteinander, die bislang isoliert voneinander funktionierten. So tauschen diese als intelligente Systeme Daten aus oder kombinieren sie, treffen als vernetzte Kommunikationsnetzwerke eigenständig intelligente Entscheidungen, agieren und kommunizieren in Echtzeit mit anderen Systemen und auch Menschen. Doch hierfür sind sie auf Daten angewiesen. Diese werden von Sensoren in Echtzeit geliefert – den Sinnesorganen des IoT. Dafür müssen sie zuverlässig mit Strom versorgt werden. Abhängig von der jeweiligen Applikation stehen hierfür verschiedene Optionen zur Verfügung: Batteriebetrieb, Energy Harvesting oder direkt ans Netz angeschlossen.

Versorgung von Sensoren mit Knopfzellen

Bild 1: Der Boost-Schaltregler R-78S verlängert nicht nur die Lebensdauer von Batterien in IoT-Anwendungen, sondern holt auch noch den letzten Tropfen aus ihnen heraus. Recom

Häufig werden diese Applikationen mit preisgünstigen 3-V-Knopfzellen versorgt, da sie so, unabhängig von einem Netzanschluss, flexibel eingesetzt werden können. Doch birgt dies auch seine Tücken. Eine vollgeladene CR2032-Knopfzelle liefert zirka 3,2 V. Jedoch sinkt bereits nach wenigen Stunden im Betrieb die Spannung auf unter 3 V. Schnell kann die zur Verfügung stehende Energie unter das benötigte Spannungsniveau zum Beispiel für Funkmodule (WLAN, Bluetooth, LoRaWAN und weitere) sinken und so die Reichweite stark einschränken beziehungsweise die Übertragung stören.

Anders als bei Geräten, die die erforderliche Energie aus dem Netz beziehen, müssen Batterien ab einem gewissen Zeitpunkt ausgetauscht werden. Bei Geräten an schwer erreichbaren Stellen steigt der Wartungsaufwand gleich nochmals. Daher macht es Sinn, die Systeme so effizient zu gestalten, dass bestmöglich mit der vorhandenen Energie gehaushaltet wird.

Der neuartige Schaltregler R-78S von Recom wurde speziell für batteriebetriebene Applikationen konzipiert. Das Modul generiert aus niedrigen Eingangsspannungen von 0,65 bis 3,15 V_DC eine stabile 3,3-V-Versorgung mit einer Regelgenauigkeit von ein Prozent. So wird die Applikation bis zur völligen Entleerung der Batterie, stabil und zuverlässig versorgt. Mit dem Modul können Anwendungen wie Mikroprozessoren, WLAN / Bluetooth-Module oder IoT-Systeme nun mit nur einer 1,5-V-Batterie- oder Akkuzelle versorgt werden, welche im Gegensatz zu einer herkömmlichen Knopfzelle eine wesentlich höhere Kapazität und somit längere Batterielebensdauer bieten.

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Bild 2: Durch Integration eines Pufferkondensators kann der R-78 ebenfalls in einen Sleep Mode versetzt und so wertvolle Batteriekapazität gespart werden. Recom

Um die zur Verfügung stehende Energie möglichst sparsam einzusetzen, bedienen sich moderne IoT-Applikationen eines Tricks. Während sie meist erscheinen als wären sie immer eingeschaltet, befindet sich der größte Teil der Schaltung jedoch die überwiegende Zeit im Dornröschenschlaf und wird nur geweckt, wenn die Anwendung es erfordert. Auf diese Art lässt sich der Stromverbrauch wesentlich reduzieren.

In Bild 2 sieht man ein typisches IoT-Anwendungsbeispiel mit einem Funkmodul. Die nötige Stromversorgung liefert hier eine günstige 1,5-V-Batterie. Der Schaltregler erhöht die Spannung auf die erforderlichen 3,3 V für den Mikrocontroller und das Funkmodul. Durch die Integration eines Pufferkondensators, welcher die Schaltung bei Abschaltung versorgt, kann auch der R-78S in einen energiesparenden Sleep Mode versetzt werden. Die meiste Zeit verbringt die Schaltung im energiesparenden Tiefschlaf und wird immer nur ganz kurz aktiv, um Daten zu übertragen. Ist die Schaltung aktiv, verbraucht sie kurzzeitig ungefähr 600 µW. Danach kehrt sie zurück in den Schlafmodus und der Verbrauch liegt nun lediglich bei zirka 20 µW. Der Schaltregler R-78S wird in diesem Zustand über einen Pufferkondensator versorgt und benötigt im Schlafmodus nur 7 µA. Nach einer gewissen Entladezeit unterschreitet die Ladung des Kondensators eine vorgegebene Schwelle. Der Mikroprozessor aktiviert den R-78S und die volle Batterieleistung steht augenblicklich zur Verfügung. So wird verhindert, dass die Schaltung zu lange im Schlafmodus verweilt und sich der Kondensator zu sehr entlädt, wodurch ein Wecken nicht mehr möglich wäre. Bei bestimmten Anwendungen könnte der Mikrocontroller auch durch ein externes Alarmsignal geweckt werden. Durch diese einfache Lösung kann die Knopfzelle bis zum letzten Millivolt ausgenutzt werden.

IoT-Applikationen, welche durch Batterien versorgt werden, müssen wie bereits geschrieben besonders effizient sein. Dafür ist ein optimierter Wirkungsgrad essenziell. Um besonders sparsam zu sein, werden diese Applikationen meist im möglichst geringen Lastbereich betrieben. Das Schaltregler-Modul R-78S wurde so optimiert, dass es nicht nur unter Volllast einen Wirkungsgrad von 93 Prozent erreicht, sondern dieser liegt auch, in dem für IoT-Anwendungen wichtigen, niedrigen Lastbereich von 10 Prozent noch bei über 80 Prozent.

Versorgung der Sensoren direkt aus dem Stromnetz

Bild 3: Netzgespeiste IoT-Anwendungen verlangen nach möglichst kompakten Netzteilen, die sich platzsparend integrieren lassen. Auf dem Bild ist deutlich der Größenunterschied zwischen dem nur ein paar Jahre älteren Netzteil links und der neuesten Generation rechts zu sehen. Beide liefern 5 W am Ausgang. Recom

Eine Alternative zum Batteriebetrieb ist die Versorgung der Sensoren direkt aus dem Stromnetz. Bereits zu sehr niedrigen Preisen verfügbar, sind kleine, zuverlässige Netzteile, die die Applikationen verlässlich mit Strom versorgen. Bequem wird hier die Applikation lokal vom Netz versorgt und lästige Batteriewechsel vermieden.

Bild 4: Der Boost-Schaltregler R-78S geht besonders sparsam mit der Batterieladung um. Recom

Das gewählte Netzteil sollte nicht nur äußerst kompakte Abmessungen bieten, sondern auch den besonderen Betriebsbedingungen von Sensorsystemen gerecht werden. Es muss in der Lage sein, mit abrupten Lastwechseln zurechtzukommen, ohne dass es am Ausgang zu extremen Spannungsspitzen kommt. In diesem Zusammenhang ist es auch wichtig, auf das Einschwingverhalten zu achten. In den meisten AC/DC-Datenblättern wird nur das Regelverhalten bei Laständerung von 50 auf 75 Prozent betrachtet, was aber für diese Anwendungen nicht relevant ist. Wichtiger ist in diesem Fall der Bereich von 0 auf 25 Prozent. Idealweise sollte die Einschwingzeit hier bei 500 µs oder weniger liegen.

Typische Sensorapplikationen sind ununterbrochen in Betrieb und verbringen die meiste Zeit im Energiespar- oder Schlafmodus. Die europäische Ökodesign-Richtlinie (ErP-Richtlinie – Energie Related Products) schreibt für leiterplattenmontierte oder eingebaute Netzteile einen Standby-Verbrauch von unter 500 mW vor. Wenn man aber bedenkt, wie viele dieser Netzteile durch den massiven Anstieg von IoT-Anwendungen künftig in einem durchschnittlichen Haushalt zu erwarten sind, ist dieser Grenzwert immer noch viel zu hoch. Besser wäre hier ein Verbrauch, von weniger als der Hälfte dessen, was die Richtlinie vorgibt. Jedoch ist ein niedriger Standby-Verbrauch allein nicht genug. Häufig arbeiten diese Applikationen im sehr niedrigen Lastbereich oder wechseln laufend zwischen Nulllast und niedriger Last. Auch wenn der Verbrauch bei Nulllast laut Datenblatt ausgezeichnet ist, muss dies nicht im selben Maße für den Betrieb mit geringer Last gelten. Das liegt daran, dass der Controller bei Nulllast in einen pulsierenden Betrieb schaltet, um Energie zu sparen. Liegt aber auch nur eine geringe Last an, so schaltet dieser wieder in den normalen Betriebsmodus.

Innovative Lösungen für IoT-Anwendungen

Recom bietet innovative Lösungen für IoT-Anwendungen, wie zum Beispiel den Boost-Schaltregler R-78S. Aber auch für Anwendungen die direkt aus der Steckdose versorgt werden, bietet das Unternehmen ein breites Portfolio an AC/DC-Netzteilen im Leistungsbereich von 1 bis 10 W, welche auf die speziellen Bedürfnisse von IoT-Applikationen zugeschnitten wurden.

(ah)