Oftmals wissen wir nicht, dass wir die Technologie „Energy Harvesting“ schon nutzen. Wer von uns freut sich nicht über die Reifendruck-Informationen, die in unseren Autos im Bordcomputer angezeigt werden und uns bei Druckverlust warnen, bevor ein Sicherheitsrisiko entsteht. Auch wenn wir uns einen Lichtschalter an einer Glaswand wünschen, haben wir je uns Gedanken gemacht, wo dann die Kabel verlaufen oder wie oft wir die Batterie wechseln müssen? Situationen wie diese lassen sich durch Energy Harvesting lösen, wobei die notwendige Energie aus Radrotation oder Tastendruck erzeugt wird, um die Elektronik zu versorgen. Die nicht-elektrische Energie die „geerntet“ wird, entspricht in den meisten Fällen nur ein paar Milli-Volt (mV) und meist Micro-Ampere (µA) bis Milli-Ampere (mA). Außerdem handelt es sich oft auch um Gleichstrom. Diese Energie muss ausreichen, um den Schaltregler in Betrieb zu nehmen und das Energiemanagement und Speicherung zu ermöglichen. Linear Technology hat in seinem Portfolio einige interessante Chips, die sich bereits mit wenigen Nano-Ampere (nA) betreiben lassen. Wenn ausreichend Energie vorhanden ist, wird diese entweder in einer Kapazitäten-Bank gespeichert oder direkt geregelt dem Verbraucher zur Verfügung gestellt. Aus unterschiedlicher, nicht-elektrischer Energie kann folgende elektrische Energie erwirtschaftet werden:
Funkwellen: typischer Ausgang: 0,1 µW/cm², typische Spannung: 0,01 mV
Vibration: typischer Ausgang: 1 mW/cm², typische Spannung: 0,1 ~ 0,4 V
Thermo-elektrischer Generator: typischer Ausgang: 10mW/cm², typische Spannung: 0,02 ~ 1 V
Photovoltaik: typischer Ausgang: 100 mW/cm², typische Spannung: 05, ~ 0,7 V (pro Zelle)
Wenn es sich bei dem Harvester um einen Piezo-Generator handelt, der für eine bestimmte Frequenz festgesetzt ist, lässt sich Energie bis zu 2 mW mit Spannungen von bis zu 20 V erzeugen. Die meisten Harvester liefern Gleichstrom mit sehr niedrigen Spannungen. Da sich die ICs mit solch kleinen Spannungen noch nicht betreiben lassen, können wir diese mit dem Einsatz eines kleinen Transformators hochsetzen, um den Chip zu versorgen. Hierzu eignen sich die für Energy Harvesting entwickelten Spulen WE-EHPI von Würth Elektronik eiSos. Die Serie WE-EHPI zeichnet sich durch kleine DC-Widerstände und sehr kleine Abmessungen aus. Es gibt sie mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen. Anwendungen kann man damit sehr einfach realisieren, da die Chips von Linear Technology mit der Impedanz der Spulen abgestimmt sind.Um die beste magnetische Koppelung zu erzielen, wird ein sehr dünner Draht mit wenigen Mikron-Meter (µm) als Sekundärwicklung auf eine Garnrolle gewickelt. Mit einem dickeren Draht erfolgt die Primärwicklung, die direkt darüber gewickelt wird. Durch diese Methode wird der Verlust minimal gehalten. Wichtig ist hierbei, die beste magnetische Kopplung zu erzielen.
Erfahrungen mit Energy Harvesting sammeln
Entwickler haben die Möglichkeit, in der Welt von Energy Harvesting eigene Erfahrungen zu sammeln. Das Ausprobieren ist mit dem Design Kit, das in Zusammenarbeit von Linear Technology, Silicon-Labs und Würth Elektronik realisiert wurde, problemlos und einfach möglich. Es beinhaltet ein Power Board, auf dem zwei Harvester, eine Solarzelle und ein TEG, verbaut sind. Außerdem besteht die Möglichkeit, weitere Harvester anzuschließen wie zum Beispiel einen Piezo-Sensor oder einen induktiven Geber.
Sollte in einer Schaltung eine Diode (mit maximal 1 A belastbar) vorhanden sein, kann diese durch den Dioden-Spannungsabfallseingang ersetzt werden. An diesem können 4 bis 20 mA aus dieser Diode „geerntet“ werden, um den Mikrocontroller zu betreiben. Dieser befindet sich auf der zweiten Platine und ist aus dem Hause Silicon-Labs (beziehungsweise Energy Micro). Der Prozessor ist ein 32-Bit-Giant-Gecko auf Cortex-M3-Basis mit nur 0,9 µA Stand-By-Strom. Das Besondere an diesem Controller ist, dass die CPU für sämtliche Messungen an den Eingängen in den „Schlafmodus“ versetzt wird und somit kaum Strom verbraucht. Im „Deep Sleep Mode“ kann er weiter kommunizieren (Full UART) und benötigt gerade einmal 1 µA. Bei Bedarf ist er sehr schnell innerhalb von 2 µs wieder „wach“.
Auf dem Controller-Board sind mehrere Sensoren, wie zum Beispiel Lichtsensor, Temperatursensor, LC-Sensor und eine Touch-PCB-Oberfläche vorhanden. Sobald das Simplicity Studio auf dem PC installiert ist, kann man den Giant Gecko programmieren und den Energiebedarf des Controllers damit überwachen. Auf dem Demo-Board ist auch ein Präzisionswiderstand vorhanden, über den der Strombedarf des Controllers erfasst werden kann. Dies lässt sich über den „Energy Aware Profiler“ grafisch darstellen, und die mögliche Rechnerleistung kann man per Software optimieren, um die vorhandene geerntete Energie optimal zu nutzen.
Das „Energy Harvesting To Go Kit“ kann man über die von Farnell bereit gestellte Entwicklerplattform www.element14.com beziehen.
