Stromversorgung
Stromversorgung Energiequelle Produzierte Energiemenge Typische Anwendung Kleine Solarzellen Einige 100 mW/cm2 (direktes Sonnenlicht) Handheld-Geräte Kleine Solarzellen Einige 100 µW/cm2 (indirektes Sonnenlicht) Handheld-Geräte Seebeck-Elemente Einige 10 µW/cm2 (Körperwärme) abgesetzte drahtlose Sensoren Seebeck-Elemente Einige 10 mW/cm2 (Furnace exhaust stack) abgesetzte drahtlose Aktoren Piezoelectrische Elemente Einige 100 µW/cm2 Handheld-Geräte oder Aktoren HF-Energie von einer Antenne Einige 100 pW/cm2 abgesetzte drahtlose Sensoren Tabelle 1. Energiequellen und Energiemengen, die sie produzieren können zum Laden liefert. Zudem muss das Gerät empfindliche nachgelagerte Komponenten mit geringer Spannung vor potenziell Beschädigungen verursachenden Überspannungen schützen und nahtlos hohe Ströme aus einem USB-Anschluss, einem Netzteil oder der Batterie ableiten, während es Leistungsverluste minimiert. Dies ist eine exzellente Möglichkeit für die Hersteller von Batterie-ICs, ein IC zu HF-Komponenten • HF-Steckverbinder ◦ N-Serie ◦ SMA-Serie ◦ BNC-Serie ◦ SMB-Serie ◦ TNC-Serie ◦ und andere ◦ UHF-Serie • HF-Adapter • HF-Kabel • HF-Kabelkonfektion • HF-Zubehör KCC Handelsgesellschaft mbH Storchenweg 8a • 21217 Seevetal Kontakt 040/769 154 - 0 www.kcc.de • info@kcc.de entwickeln, das einen Batterieladealgorithmus sicher managt und wichtige Systemparameter überwacht. Auf der anderen Seite des Leistungsspektrums sind die Anforderungen der Nanopower-Wandlung der Energie erntenden Systeme, wie man sie üblicherweise in WSNs findet, die den Einsatz von Leistungswandel-ICs benötigen, die mit sehr kleinen Pegeln an Leistung und Strom arbeiten. Dies können nur einige zehn Mikrowatt bzw. Nanoampere an Strom sein. Ein energieerntendes WSN Es gibt eine Menge von Umgebungsenergie in der Welt um uns herum, und die konventionellen Methoden der Energieernte betreffen bisher Solarzellen und Windkraft. Neue Erntewerkzeuge erlauben es uns jedoch nun, elektrische Energie aus einer Vielzahl an Quellen aus der Umgebung zu ernten. Darüber hinaus ist es nicht der Wirkungsgrad der Energiewandlung der Schaltungen, der wichtig ist, sondern die Menge der „durchschnittlich geernteten“ Energie, die verfügbar ist, sie zu versorgen. Thermoelektrische Generatoren wandeln Wärme (oder Kälte) in Elektrizität, Piezoelemente wandeln z.B. mechanische Vibrationen, die Photovoltaik wandelt Sonnenlicht (oder jede andere Lichtquelle) und die Galvanik gewinnt Energie aus Feuchtigkeit. Dies ermöglicht es, entfernte Sensoren zu versorgen, oder ein Speicherelement wie einen Kondensator oder eine Dünnfilmbatterie zu laden, so dass ein Mikroprozessor oder Messwertgeber aus der Entfernung ohne lokale Energiequelle betrieben werden kann. Allgemein ausgedrückt, die nötigen Charakteristika der ICs zur Einbindung in den alternativen Energiemarkt zeigt Bild 2. Wenn man versucht, WSNs zu implementieren, ist eine wichtige Frage zu berücksichtigen: Wie viel Energie benötige ich, um ihn zu betreiben? Konzeptionell erscheint dies ziemlich einfach, in der Realität ist dies jedoch aufgrund mehrerer Faktoren etwas komplizierter. Wie oft, zum Beispiel, muss ein Messwert erfasst werden? Oder, noch wichtiger, wie groß ist das Datenpaket, und wie lange dauert seine Übertragung? Dies deswegen, weil der Sender/Empfänger rund 50% der Energie konsumiert, die vom System für eine einzige Sensorabfrage benötigt wird. Das bedeutet, dass mehrere Faktoren die Leistungsverbrauchscharakteristika des energieerntenden Systems eines WSN beeinflussen. Natürlich hängt die Energie, die von der energieerntenden Quelle geliefert wird, davon ab, wie lange die Quelle in Betrieb ist. Deswegen ist das primäre Maß für den Vergleich von energieerntenden Quellen die Leistungsdichte und nicht die Energiedichte. Die Energieernte ist ganz generell mit geringen, variablen und unvorhersagbaren Mengen an verfügbarer Leistung verbunden, so dass häufig eine hybride Struktur, die aus dem Energieernter und einem sekundären Leistungsreservoir besteht, eingesetzt wird. Der Energieernter ist wegen seiner unbegrenzten Energieversorgung, jedoch Mangel an Leistung, die Energiequelle des Systems. Der sekundäre Leistungsspeicher, entweder eine Batterie oder ein Kondensator, erzeugt eine höhere Ausgangsleistung, speichert aber weniger Energie und gibt Leistung nur dann ab, wenn benötigt, empfängt aber 32 hf-praxis 12/2014
K N O W - H O W V E R B I N D E T sonst ständig Ladung vom Energieernter. In Situationen, in denen keine Energie aus der Umgebung verfügbar ist, die geerntet werden könnte, muss deshalb das sekundäre Speicherelement genutzt werden, um den WSN zu versorgen. Aus der Perspektive eines Systementwicklers führt dies natürlich zu einer höheren Komplexität, da er nun in Betracht ziehen muss, wie viel Energie im sekundären Energiespeicher gespeichert werden muss, um den Ausfall der Energiequelle in der Umgebung zu kompensieren. Wie viel sie dazu benötigen, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Diese beinhalten: • die Zeitspanne, in der die Energiequelle in der Umgebung nicht verfügbar ist. • der Arbeitstakt des WSN (das ist die Frequenz mit der eine Datenerfassung und Übertragung durchgeführt werden muss) • die Größe und Art des sekundären Energiespeichers (Kondensator, Superkondensator oder Batterie) • ist genügend Umgebungs energie vorhanden, um sowohl als primäre Energiequelle zu wirken und bleibt ausreichend Energie übrig, um ein sekundäres Energiereservoir zu laden, wenn die Primärquelle für eine spezifizierte Zeitspanne nicht verfügbar ist? Energiequellen in der Umgebung schließen Licht, Wärmeunterschiede, Vibrationen, übertragene HF-Signale, oder einfach jede andere Quelle, aus der eine elektrische Ladung mit einem Wandler erzeugt werden kann, mit ein. Tabelle 1 illustriert die Energiemenge, die mit den unterschiedlichen Energiequellen gewonnen werden kann. Eine Nanopower-IC-Lösung Es ist klar, dass WSNs nur sehr kleine Mengen an Energie zur Verfügung haben. Dies bedeutet wiederum, dass die im System eingesetzten Komponenten in der Lage sein müssen, mit diesen geringen Leistungspegeln zu Recht zu kommen. Während dies bei den Mikrocontrollern und Transceivern bereits erreicht ist, klafft auf der Leistungswandlungsseite der Gleichung noch eine große Lücke. Linear Technology entwickelte dafür den LTC3388-1/-3, der speziell dazu ausgelegt ist, diese Anforderungen zu erfüllen. Der LTC3388-1/-3 ist ein synchroner Abwärtswandler mit maximal 20 V Eingangsspannung, der bis zu 50 mA kontinuierlichen Ausgangsstrom aus einem Gehäuse mit 3 mm x 3 mm Kantenlänge (oder MSOP-10-E) liefern kann (Bild 1). Er arbeitet mit einem Eingangsspannungsbereich zwischen 2,7 V und 20 V, was ein idealer Bereich für die Energieernte und Stromversorgung batteriebetriebene Applikationen ist, einschließlich „keep-alive“ und der Stromversorgung industrieller Steuerungen. Der LTC3388-1/-3 nutzt synchrone Gleichrichtung mit Hysterese, um den Wirkungsgrad über einen weiten Bereich an Lastströmen zu optimieren. Er kann bis zu 90 Prozent Wirkungsgrad bei Lasten von 15 µA bis 50 mA erreichen, was ihm ermöglicht, die Batteriebetriebszeiten deutlich zu verlängern. Die Kombination seines DFN- Gehäuses mit 3 mm x 3 mm Kantenlänge (oder MSOP-10) und nur fünf externen Komponenten bietet eine sehr einfache und kompakte Lösung für eine große Vielfalt an Low-Power-Applikationen. Der LTC3388-1/-3 enthält eine akkurate Unterspannungssperrfunktion (ULVO), die den Wandler abschaltet, wenn die Eingangsspannung unter 2,3 V abfällt, was den Ruhestrom auf nur noch 400 nA reduziert. Wenn er einmal in Regelung (ohne Last) ist, geht der LTC3388-1/-3 in einen Schlaf- Modus über, um den Ruhestrom auf nur mehr 720 nA zu minimieren. Ein zusätzlicher Standby-Modus sperrt das Schalten während der Ausgang kurzzeitig für Lasten in Regelung ist, wie drahtlose Kommunikations-Modems, die eine geringe Welligkeit der Ausgangsspannung benötigen. Dieses Design mit hohem Wirkungsgrad und geringem Ruhestrom eignet sich ideal für Anwendungen wie das Energieernten, das lange Ladezyklen zusammen mit kurzen Spannungsbursts zur Stromversorgung von Sensoren und drahtlosen Kommunikations- Modems benötigt. Zusammenfassung Obwohl portable Applikationen und Energie erntende Systeme für ihren korrekten Betrieb einen großen Bereich an Versorgungsspannungspegeln, von Mikrowatt bis über 1 Watt, haben, gibt es für den Systementwickler doch viele Leistungswandel- ICs zur Auswahl. Es ist jedoch am unteren Bereichsende des Leistungsbedarfs, an dem Nanoampere von Strömen gewandelt werden müssen, an dem die Auswahl ziemlich begrenzt ist. Glücklicherweise macht der extrem geringe Ruhestrom des monolithischen Abwärtswandlers LTC3388-1/-3 ihn ideal für solche Low-Power-Applikationen. Ein Ruhestrom unter 1 µA erweitert die Batterielebensdauer für „keep-alive“-Schaltungen in tragbaren elektronischen Geräten und ermöglicht eine neue Generation von Energie erntenden Applikationen, wie WSNs. ◄ EMV, WÄRME- ABLEITUNG UND ABSORPTION SETZEN SIE AUF QUALITÄT Maßgeschneiderte Produkte nach indi viduellen Vorgaben für kunden spezifische Anwendungen, hergestellt mittels modernster Technologie, stehen für uns im Vordergrund. Mehr als 25 Jahre Erfahrung, qualifizierte Beratung und applikative Unterstützung unserer Kunden sowie namhafte Kooperationspartner sind die Bausteine für unseren Erfolg. Hohe Straße 3 61231 Bad Nauheim T +49 (0)6032 9636-0 F +49 (0)6032 9636-49 info@electronic-service.de www.electronic-service.de Zeichnungsteile mittels Schneidplotter Stanzteilherstellung mittels Hoch leistungsstanze Zuschnitt „cut to length“ Herstellung von O-Ringen Zuschnitt von Rollenware Stanzteilherstellung mittels Swing-Beam- Presse Zuschnitt mittels Wasserstrahltechnik ELECTRONIC SERVICE GmbH hf-praxis 12/2014 33 33
