Sowohl in privat als auch gewerblich genutzten Gebäuden halten immer mehr intelligente Geräte Einzug. Deshalb gewinnen drahtlose Sensoren zunehmend an Bedeutung, denn Geräte, die ohne Batterie und Draht auskommen, erlauben eine einfache Installation an beliebigen Orten. Der Preis dafür sind häufige Batteriewechsel.
Soll beispielsweise ein kommerziell genutztes Gebäude intelligent werden, sind dafür mehrere Tausend drahtlose Sensorknoten erforderlich, die mit verschiedenen Geräten, wie Thermostate und Rauch- und Brandmelder, verbunden sind. Um nicht zu jedem einzelnen Knoten ein Stromkabel legen zu müssen, sind Batterien die einzig sinnvolle Energie- aber auch Kostenquelle – die vielen tausend Batterien in den drahtlosen Sensorknoten auszutauschen stellt einen hohen Arbeitsaufwand dar.
Um diesen Aufwand in Grenzen zu halten, lohnt sich die Suche nach Möglichkeiten, um die Lebensdauer von Batterien für solche Sensorknoten zu verlängern. Für Sensoren, die an das Internet of Things (IoT) angeschlossen sind, kommt beispielsweise das Duty Cycling in Betracht. Bei diesem Verfahren schaltet sich der Sensorknoten ein, zeichnet einen Messwert des Sensors auf und überträgt diesen drahtlos an eine Zentrale oder ein Gateway. Anschließend schaltet sich der Knoten entweder mittels Stromsparmodus oder Lastschalter wieder ab. Allerdings ist dieses Vorgehen nicht für alle Anwendungen geeignet. Wenn beispielsweise Stern-Netzwerke oder einige Bluetooth-Geräte zum Senden oder Weiterleiten von Nachrichten aktiv sein müssen, dürfen diese nicht über längere Zeit im Stromsparmodus bleiben.
Länger Power für Schlösser und Lüfter
Wenn intelligente Geräte mehr Leistung für den Betrieb von Motoren benötigen, wie es zum Beispiel bei intelligenten Schlösser oder Lüftungen der Fall ist, ist die Batterielebensdauer abhängig davon, wie hoch die nötige Leistung für den Motorbetrieb ist und nicht von der geringeren Leistung des Funksystems. Texas Instruments bietet zwei Referenzdesigns, die zwei typische Gebäudeanwendungen demonstrieren: Zum einen das Smart Lock Reference Design für intelligente Schlösser, das für 4x AA-Batterien eine Lebensdauer von mehr als fünf Jahren ermöglicht, und zum anderen das Referenzdesign Smart Damper Control. Dieses überwacht in intelligenten Lüftungs-Applikationen Druck, Feuchtigkeit und Temperatur und unterstützt die Diagnose von Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystemen.
Die Designs nutzen die hocheffiziente DC/DC-Buck-Topologie von Texas Instruments in Kombination mit dem Niederspannungs-Motortreiber DRV8833. Beide Referenzdesigns erzielen ihre lange Batterielebensdauer mithilfe einer effizienteren Leistungstopologie – in diesem Fall in Form eines hocheffizienten Buck-Wandlers vom Typ TPS62745 – sowie durch Verlängerung des Betriebszyklus der Bluetooth-Low-Energy-Verbindungen.
Während der DRV8833 seine Energie direkt aus den Batterien speist, wird das übrige System durch den Ausgang des Buck-Wandlers versorgt. Bei der Funkübertragungen erreicht dieser bei 9,1 mA einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Mit diesem hohen Effizienzniveau verleiht der Baustein dem gesamten System eine längere Batterielebensdauer, als es mit anderen Topologien möglich wäre.
Referenzdesigns: mehr als nur Energievorteile
Das Referenzdesign für eine intelligente Lüftungsklappensteuerung ermöglicht beispielsweise ein Verändern der Klappenstellung. Der Luftdruck und die Temperatur im Lüftungskanal können mit entsprechenden Algorithmen automatisch geregelt werden – beispielsweise für eine dem Bedarf der Bewohner eines Hauses angepassten Regelung der Lüftung.
Druck- und Temperatursensoren ermöglichen die Überwachung der Komponenten von Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystemen und die Festlegung von Instandhaltungs-Zeitplänen. Liegt ein Druck- oder Temperaturunterschied zwischen den Lüftungen vor, kann ein Algorithmus die Meldung ausgeben, dass ein Filter gewechselt werden muss und der Hauseigentümer entsprechend zu informieren ist. In kommerziellen Anwendungen wäre das Design auch in der Lage, das Luftvolumen zu regulieren.
Bei drahtloser intelligenter Sensorik, die auf Batteriebetrieb angewiesen ist, kommt der Stromversorgungs-Topologie eine wachsende Bedeutung zu, wenn eine lange Batterielebensdauer in einfachen Motorsteuerungs-Designs und Always-on-Applikationen erreicht werden soll. Für viele Anwendungen bietet Texas Instrument Optionen wie die beschriebenen Referenzdesigns, um die Batterielebensdauer weiter zu verbessern.
