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2-2013

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HF-Praxis 2/2013

Grundlagen 30 hf-praxis

Grundlagen 30 hf-praxis 2/2013

Grundlagen Energie umgibt uns immer und überall – bekommen Sie schon ihren Anteil davon? Um uns herum ist jede Menge Energie in der Welt vorhanden, und die konventionelle Methode der „Ernte“ dieser Energie erfolgt durch Solarzellen und Windgeneratoren. Energiequelle Typische produzierte Energiemenge kleine Solarzellen Einige 100 mW/cm 2 (direktes Sonnenlicht) kleine Solarzellen Einige 100 µW/cm 2 (indirektes Sonnenlicht oder Innenbeleuchtung) Seebeck-Elemente (die Wärmeenergie in Einige 10 µW/cm 2 elektrische Energie wandeln) (Körperwärme) Seebeck-Elemente (fortgesetzt) Einige 10 mW/cm 2 (Ofenrohr) Piezoelektrische Elemente (die Energie Einige 100 µW/cm 2 entweder durch Kompression oder Biegung des Elements produzieren) Typische Applikation Elektronische Handheld-Geräte Elektronische Handheld-Geräte Entfernte drahtlose Sensoren Entfernte drahtlose Akoren Elektronische Handheld-Geräte oder Entfernte drahtlose Akoren HF-Energie von einer Antenne Einige 100 pW/cm 2 Entfernte drahtlose Sensoren Tabelle 1: Energiequellen und die Energiemenge, die sie generieren können Von Tony Armstrong Director of Product Marketing Power Products, Linear Technology Corporation Neue Erntewerkzeuge erlauben es uns nun jedoch, elektrische Energie aus einer Vielfalt von weiteren Quellen in der Umgebung zu gewinnen. Außerdem ist dabei nicht der Wirkungsgrad der Schaltungen zur Energiewandlung wichtig, sondern die Menge der „durchschnittlich geernteten“ Energie, die verfügbar ist, um diese Schaltungen zu betreiben Thermoelektrische Generatoren wandeln beispielsweise Wärme in Elektrizität um, Piezo-Elemente wandeln mechanische Vibrationen, Photovoltaik wandelt Sonnenlicht (oder jede andere Photonenquelle) um und Galvanische Elemente wandeln Energie aus Feuchtigkeit. Dies ermöglicht es, entfernte Sensoren zu betreiben, oder ein Speicherelement wie einen Kondensator oder eine Dünnfilmbatterie aufzuladen, so dass ein Mikroprozessor oder ein Transmitter von einem entfernten Ort aus ohne lokale Stromquelle mit Strom versorgt werden können. Man könnte denken, dass der Wirkungsgrad der Wandlung des DC/DC-Wandlers der kritischste Faktor im gesamten Energie erntenden Prozess ist; er ist es jedoch nicht. Es ist der Wirkungsgrad des gesamten drahtlosen Sensorknotens (wireless sensor node = WSN) der am wichtigsten ist. Die Begründung ist einfach: wenn man weiß, wie viel der umgebenden Energie für das System verfügbar gemacht werden kann, kann der Arbeitstakt jeder Messwerterfassung und Übertragung bestimmt werden. Es ist deshalb der Wirkungsgrad dieser „Gesamtwandlung“, der die Eignung der Implementierung für eine gegebene Applikation bestimmt. Wie viel Energie gibt es? Modernste und handelsübliche Energieerntetechniken, z.B. zum Ernten von Energie aus Vibrationen oder Photovoltaikzellen für Innenräume, gewinnen unter üblichen Einsatzbedingungen Leistungsmengen in der Größenordnung von wenigen Milliwatt. Obwohl solche Leistungsmengen nicht ausreichend erscheinen mögen, kann der Betrieb von Energieernte-Elementen über einige Jahre bedeuten, dass die Techniken voll kompatibel zu langlebigen Primärbatterien sind, sowohl bezüglich der Energiebereitstellung als auch der Kosten der Energie pro Einheit. Außerdem sind Systeme, die die Energieernte beinhalten, üblicherweise in der Lage, nach einer vollständigen Entleerung wieder voll aufzuladen, etwas, was Systeme, die von Primärbatterien betrieben werden, nicht können. Energiequellen in der Umgebung sind Licht, Wärmeunterschiede, vibrierende Stäbe, übertragene HF-Signale oder einfach nur jede andere Quelle, die elektrische Energie über einen Transducer generieren kann. Tabelle 1 illustriert die Energiemenge, die von den unterschiedlichen Energiequellen gewonnen werden kann. Es gibt eine Vielzahl an Anwendungen in denen diese Leistungsmengen für einen Systemeinsatz geeignet sind. Hier nur einige wenige Beispiele: • Korrosionssensoren in Flugzeugen, • Automatisch abdunkelnde Fenster, • Brückenüberwachung, • Gebäudeautomatisierung, • Elektrische Verbrauchsmesser, • Gassensoren, • Gesundheitsüberwachung (health monitor), • Steuerungen für Heizung, Lüftung und Klimaanlagen, hf-praxis 2/2013 31

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