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11-2014

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HF-Praxis 11/2014

Aus Forschung und

Aus Forschung und Technik Das Internet der Dinge nutzt kontaktlose Lade- & Energieerntetechniken Moderne und ab Lager verfügbare Energieerntetechniken (EH), z.B. über Vibrationen oder Photovoltaikzellen für Innenräume, erzielen unter typischen Betriebsbedingungen Leistungspegel in der Größenordnung von einigen Milliwatt. Obwohl solche Leistungspegel ungeeignet erscheinen mögen, kann der Betrieb von Energie erntenden Elementen über mehrere Jahre bedeuten, dass diese Technik sehr vergleichbar mit lang „lebenden“ Primärbatterien ist, sowohl bezüglich der Energieversorgung als auch der Kosten pro gelieferter Energieeinheit. Darüber hinaus sind Systeme, welche die Energieernte verwenden typischerweise in der Lage, das Speicherelement nach einer völligen Entleerung wieder voll aufzuladen, etwas, das Systeme, die von Primärbatterien versorgt werden, nicht können. Nichtsdestotrotz werden die meisten Implementierungen, die eine Energiequelle aus der Umgebung als primäre Energiequelle nutzen, durch eine Batterie ergänzt, die eingeschaltet werden kann, wenn die Energiequelle in der Umgebung wegoder ausfällt. Diese Batterie kann wieder aufladbar sein, oder auch nicht. Diese Wahl wird üblicherweise abhängig von der Endanwendung getroffen. Wenn sie einen einfachen Zugriff auf eine nicht wieder aufladbare Batterie erlaubt, wobei Wartungspersonal sie kostengünstig auswechseln können muss, dann kann dies wirtschaftlich einen Sinn ergeben. Wenn das Austauschen der Batterie jedoch schwierig und Tony Armstrong Director of Product Marketing Power Products Linear Technology Corporation www.linear.com Bild 1: Der LTC3331 kontrolliert die Energieernte und verlängert die Batteriebetriebszeit teuer ist, dann macht der Einsatz einer wieder aufladbaren Batterie einen größeren wirtschaftlichen Sinn. Aber selbst wenn eine wieder aufladbare Batterie ausgewählt wird, bleibt die Frage der optimalen Methode sie wieder aufzuladen offen. Einige der Faktoren, die diese Entscheidung beeinflussen sind: 1. Gibt es eine drahtgebundene Leistungsquelle, um die Batterie zu laden? 2. Gibt es ausreichend Leistung von einer Energiequelle in der Umgebung, um genügend Leistung zu haben, um das drahtlose Sensornetzwerk (WSN) zu versorgen und auch die Batterie zu laden? 3. Ist eine kontaktlose Leistungsübertragung erforderlich, um die Batterie zu laden? Geeignete Energieernteund kontaktlose Ladelösungen Glücklicherweise existiert für die Entwickler solch anspruchsvoller Systeme eine ganze Reihe von Leistungs-ICs, welche die benötigten Eigenschaften und Leistungscharakteristika aufweisen, um derart geringe Pegel an geernteter Energie in Anwendungen von tragbarer Technik zu nutzen. Linear Technology stellte kürzlich zwei Bauteile für diese Aufgabe vor, den LTC3331 und den LTC4120. Der LTC3331 ist ein Baustein, der Energie erntet und die Batteriebetriebszeit verlängert, wie in Bild 1 dargestellt. Der LTC3331 ist eine vollständige, regelnde Energieerntelösung, die bis zu 50 mA kontinuierlichen Ausgangsstrom liefert, um die Batteriebetriebszeit zu verlängern, wenn zu erntende Energie verfügbar ist. Er verbraucht keinen Versorgungsstrom aus der Batterie, wenn er geregelte Leistung aus der geernteten Energie an den Verbraucher abgibt und nur 950 nA, wenn er aus der Batterie ohne Verbraucher versorgt wird. Der LTC3331 enthält eine Energieernte-Stromversorgung sowie einen synchronen Auf-/Abwärts- DC/DC-Wandler, der von einer wiederaufladbaren Batterie versorgt wird, um einen unterbrechungsfreien Ausgang für energieerntende Applikationen bereit zu stellen. Die Energieernte-Stromversorgung des LTC3331, bestehend aus einem Vollwellen- Brückengleichrichter, der für AC- und DC-Eingänge geeignet ist, und einem synchronen Abwärtswandler mit hohem Wirkungsgrad, erntet Energie aus piezoelektrischen (AC), Solar (DC) oder magnetischen (AC) Quellen. Ein 10-mA-Shunt erlaubt das einfache Laden der Batterie mit geernteter Energie, wobei eine Abschaltfunktion bei schwacher Batterie die Batterie vor einer Tiefentladung schützt. Die wieder aufladbare Batterie versorgt den synchronen Auf-/Abwärtswandler, der mit Spannungen zwischen 1,8 V und 5,5 V an seinen Eingängen arbeitet und benutzt wird, wenn keine geerntete Energie zur Verfügung steht, um den Ausgang zu regeln, unabhängig davon, ob die Eingangsspannung größer, kleiner oder gleich der Ausgangsspannung ist. Der LTC3331-Batterieladebaustein hat eine sehr wichtige Power- Managementfunktion, die nicht übersehen werden sollte, wenn man mit Micropower-Quellen umgeht. Der LTC3331 enthält eine logische Steuerung des Batterieladers, so dass er die Batterie nur dann lädt, wenn die energieerntende Versorgung ausreichend Energie dafür hat. Ohne diese logische Funktion würde die energieerntende Quelle beim Einschalten an einem nicht optimalen Punkt hängen bleiben und wäre nicht mehr in der Lage, die beabsichtigte Applikation zu versorgen. Der LTC3331 geht automatisch auf die Batterie über, wenn die energieerntende Quelle nicht länger verfügbar ist. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Betriebszeit des batteriebetriebenen WSN von zehn Jahren auf über 20 Jahre erhöht wird, wenn eine geeignete Energieerntequelle mindestens die halbe Zeit verfügbar ist, und sogar noch länger, wenn die energieerntende Quelle ebenfalls länger verfügbar ist. Ein Superkondensator-Balancer ist 6 hf-praxis 11/2014

Erweitern Sie Ihr Design um Datenanbindung Microchip bietet Unterstützung für eine Vielzahl drahtgebundener und drahtloser Kommunikationsprotokolle, einschließlich Peripherie und ■ Environmental Lösungen, quality die in sensors einen PIC ® ■Mikrocontroller Lighting (MCU) integriert sind. ■ Portable Zu medical den drahtlosen equipment Anbindungsmöglichkeiten ■ Power measurement zählen: Wi-Fi ® , Bluetooth ® , ■ Industrial 802.15.4/ZigBee equipment ® und unser eigenes and monitoring Funknetzwerk-Protokoll MiWi. Zu ■ Power den conversion weiteren unterstützten Verbindungsprotokollen ■ Energy harvesting equipment zählen USB (Device, ■ Effi cient Host, motor OTG control und Hubs), Ethernet, ■ Solar CAN, inverters LIN, IrDA ® und RS-485. Alle diese Protokolle werden durch kostenlose Softwarebibliotheken, kostengünstige Entwicklungsplattformen und kostenlose Muster unterstützt. microchip.com/connectivity Der Name Microchip, das Logo und PIC sind eingetragene Warenzeichen; MiWi ist eine Marke der Microchip Technology Incorporated in den USA und in anderen Ländern. Alle anderen Marken sind im Besitz der jeweiligen Eigentümer. © 2014 Microchip Technology Inc. Alle Rechte vorbehalten. MEC0001Ger09.14

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