Wir möchten unseren Komfort ständig erhöhen und alle unsere Geräte fernsteuern, am besten über eine App auf unserem Smartphone oder Tablet. Um das zu ermöglichen werden die Geräte vernetzt und entsprechend gebaut. Aber eine Kaffeemaschine oder ein Kühlschrank und sogar das Licht im Flur ist z.Z. nicht mit „LAN CATx“ verkabelt, außer wenn der neue Bauherr im LAN-Mania überall im neuen Haus die Verkabelung bereits vorsieht. Und das ist ziemlich aufwendig und teuer. Außerdem möchten fast alle von dem neuen Komfort profitieren und benötigen in irgendeiner Form Kommunikation mit dem neu angeschafften Gerät. Da keine Verkabelung vorhanden ist, führt kein Weg am Funk vorbei. Dies bedeutet: Es werden Geräte angeschafft, die eine Schnittstelle zu dem vorhandenen System ermöglichen, um dieses steuern zu können. Da wir nicht im ständigen Elektro-Smog leben möchten, sollen diese Geräte nur bei Bedarf funken, am besten nur nach Aufforderung. Auch der Wirkungsgrad oder die Energieverbrauchskennzeichnung (A+++) sind K.o.-Kriterien, die unsere Kaufentscheidung beeinflussen, daher sollte das „Smart“-Komfortmerkmal nicht negativ ausfallen.
Kabel sind keine Lösung
Die Möglichkeit die Geräte mit WiFi auszustatten, liegt auf der Hand. Leider sind die Hardwareanforderungen sehr hoch und tragen dazu bei, die Kosten in die Höhe zu treiben. Außerdem sind hierfür ständiges Funken und eine dauerhafte WiFi-Verfügbarkeit Pflicht. Daher wurde nach Lösungen gesucht und auf ein proprietäres Funksystem ausgewichen. Diese kostengünstig zu realisieren aber trotzdem ausbaufähig zu gestalten sind die Hürden die ein Entwickler meistern muss. Funkmodule für die freien Frequenzen der ISM-Bänder (Industrial, Scientific and Medical Band) oder SRD-Band (Short Range Devices) ist die Lösung, die mit ausreichender Reichweite für Kommunikation sorgt.
Sparsamer Funk
Durch die Markteinführung des neuen EZR32 Wonder Gecko von Silicon Laboratories ist es möglich, mit nur einem Chip die Steuerfunktionen und die Kommunikation per Funk zu realisieren. Der Chip ist mit einer ARM-Cortex-M4-CPU-Plattform ausgestattet, die mit bis zu 48 MHz getaktet werden kann. Außerdem ist in demselben Chip auch ein Funkmodul verbaut, das im 145~1.050-MHz-Bereich funken kann. Das Besondere an diesem Chip ist, dass er nur mit 40 nA bei 3 V auskommt, wenn er zum „Schlafen“ geschickt wird und nur 225 µA/MHz (Prozessorfrequenz) bei 3 V benötigt, sobald er rechnen muss. Das eingebaute Funkmodul wird mit 18 mA bei +10 dBm beim Senden (Tx) verbrauchen und nur 10 mA beim aktiven Empfang( Rx). Sollte er nur „lauschen“ (Rx-Empfang), kommt er nur mit 6 mA aus. Somit ist die Jagd auf Energy Harvesting (Energie ernten) eröffnet.
Energie ernten
Mit einer kleinen Indoor-Solarzelle oder einem Temperaturunterschied von nur 5 Kelvin, besteht die Möglichkeit, diesen MCU „am Leben“ zu erhalten und wenn genug Energie geerntet wurde, sogar Funkmeldungen zu senden. Um das zu ermöglichen, hat Linear Technology Schaltregler Chips hergestellt, die genau diesen Anforderungen entsprechen. Das neue LTC3331 kann multiple Energy Harvester wie z.B. eine Piezo und Solarzelle über seine Eingänge überwachen und sobald Strom fließt, diesen in einer Kapazitätsbank speichern. Sollte die C-Bank voll sein und es fließt immer noch Energie, wird über einen vorhandenen Balancer ein Supercap aufgeladen. Ist das Supercap aufgeladen und fließt immer noch Energie, wird an dem Ladeausgang eine Li-Ion-Batterie aufgeladen. Somit ist das Energiemanagement mit wieder nur einem Chip gelöst. Zu guter Letzt, wenn alles „leer gelaufen“ ist und keine Energie mehr geerntet wird, besteht die Möglichkeit über eine zusätzliche Back-Up Lithium-Zelle die auch an den LT Chip angeschlossen ist, den Betrieb weiter zu gewährleisten bis diese auch entladen ist. Über den „Power Good“-Ausgang kann die Bereitschaft des DC/DC Schaltreglers an den Prozessor Chip signalisiert werden, wenn dieser soweit ist, damit keine Daten verloren gehen. Derselbe Ausgang kann auch verhindern, dass ein zu frühzeitiges Starten des Prozessors die bereits die gesammelte Energie zu früh beim Bootvorgang verbraucht.
Fazit
Wenn Energie geerntet wird sind meist sehr kleine Spannungen vorhanden, die nicht ausreichen die Schaltregler-ICs zu speisen. Deswegen werden sehr verlustarme Induktivitäten benötigt, die in der Lage sind diese kleinen Spannungen hoch zu transformieren, um die minimale Eingangsspannung des DC/DC Schaltreglers zu erreichen. Das ermöglichen die WE-EHPI-Induktivitäten die eine ausgeklügelte Wicklung mit Kupferdrähten, dünner als menschliches Haar besitzen. Diese speziellen Induktivitäten sind in sehr kleine, geschirmte Ferritgehäuse gewickelt, die Abmessungen von nur 6 mm x 6 mm x 4 mm haben. Die Übersetzungsverhältnisse sind für die Standardserien mit 1:20, 1:50 und 1:100 gewählt worden.
