Dank Fortschritten in der 4G/5G-Kommunikation und Verbesserungen bei der Energieeffizienz von Smart Devices ist die Internet of Things (IoT) wird bald Teil unseres täglichen Lebens sein. Als Anhaltspunkt prognostiziert IDC, dass die jährlichen Investitionen in IoT-Technologie bis 2022 weltweit 1,2 Billionen US-Dollar erreichen werden (das entspricht 13,6 % CAGR, der durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von hier bis damals). Darüber hinaus prognostiziert MarketsandMarkets Research, dass bis 2023 17.200 Milliarden IoT-Knoten und -Gateways in Betrieb sein werden. Um jedoch eine wirklich universelle IoT-Bereitstellung zu erreichen, müssen Knoten in der Lage sein, ohne Unterbrechung an allen potenziellen Standorten zu funktionieren, insbesondere an schwer zugänglichen. Bei dieser Art von Installation ist die Durchführung regelmäßiger Wartungsarbeiten möglicherweise nicht machbar (oder zumindest sehr teuer), ganz zu schweigen von Notfallreparaturen. Darüber hinaus wird die Notwendigkeit, die Batterie von Tausenden von Knoten zu wechseln, und die dafür erforderliche Arbeitskraft ein großes Hindernis für die Expansion des IoT sein.
Holen Sie das Beste aus den Ihnen zur Verfügung stehenden Ressourcen heraus
Power Harvesting wird derzeit gründlich als die praktikabelste Methode zur Stromversorgung von IoT-Anwendungen mit extrem geringem Stromverbrauch untersucht. Dies besteht darin, die möglichen Energiequellen zu nutzen, die von den Knoten selbst und ihrer Umgebung bereitgestellt werden. Die wahrscheinlich beliebteste Energiegewinnungsquelle ist die Solarenergie, die photovoltaische (PV) Zellen verwendet, um die Energie des einfallenden Lichts in Elektrizität umzuwandeln. Andere potentielle Energiequellen umfassen Radiofrequenz(RF)-Emissionen, Piezoelektrizität und Thermoelektrizität. Diese Quellen liefern jedoch nur sehr geringe Energiemengen und neigen dazu, unregelmäßig zu sein, da sie vollständig von Umweltfaktoren abhängig sind.
PV-Produktionstechniken haben erhebliche Fortschritte in Bezug auf Effizienz und Kosteneffizienz gemacht (z. B. durch die Einführung von Zellen, die auf flexibles Material gedruckt werden können, um besser auf die Oberfläche des entsprechenden IoT-Geräts zu passen). Die Branche steht jedoch immer noch vor einer sehr offensichtlichen Herausforderung, und zwar, dass die Knoten nur den halben Tag über Strom aus dieser Quelle beziehen können.
Die Fähigkeit, HF-Energie aus der Umgebung zu gewinnen – gesammelt von Milliarden von Funksendern, Mobiltelefonen, Radio- und Fernsehsendern usw. oder alternativ aus bestimmten Quellen (z. B. Energieübertragung durch Rectennas) – kann zum drahtlosen Laden genutzt werden von batteriebetriebenen Geräten mit geringem Stromverbrauch. Inzwischen besteht die Aussicht, dass thermoelektrische Kollektoren Motoren, Automotoren, Glühbirnen und sogar den menschlichen Körper antreiben werden. Energie kann auch aus der Vibration von Elementen schwerer Maschinen, aus der Kraft beim Schließen von Türen oder aus den Lüftungsschlitzen einer Klimaanlage eines Bürogebäudes durch Anwendung eines piezoelektrischen Verfahrens gewonnen werden.
Die Wahl der am besten geeigneten Energy-Harvesting-Technologie hängt von der Umgebung ab, in der sich die IoT-Knoten befinden, und daher ist es schwierig, einen generischen Harvester zu entwerfen. In bestimmten Fällen ist zu erwarten, dass die effizienteste Lösung eine Kombination aus zwei Erfassungstechnologien ist, beispielsweise Solar und HF oder thermisch und HF. Auch wäre zu überlegen, ob der Einsatz von kleinen, dünnschichtigen oder auf flexiblem Material gedruckten und wiederaufladbaren Batterien in Kombination mit Superkondensatoren besser geeignet wäre, wenn ein Energiestoß genutzt oder entladen werden muss, oder umgekehrt ganz auf Batterien zu verzichten und Verwenden Sie nur Superkondensatoren.
Batterien und Superkondensatoren
Die CP042350 3-V-Dünnschicht-Hauptzelle von Renata ist extrem flach und hochflexibel (für über 1000 Zyklen mit bis zu 50 mm Durchmesser). Es zeichnet sich auch durch seine geringe Selbstentladung von knapp 1 % pro Jahr aus. Die Zelle hat ein durchschnittliches Gewicht von 0,86 Gramm, enthält kein Quecksilber und hat eine Haltbarkeit von bis zu 10 Jahren (bei einer Lagerung von 23 °C). Es basiert auf einer Li/Mn2-Chemie mit einer Nennkapazität von 25 mAh und einem Innenwiderstand von <30 Ω über einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +60 °C.
Jede Komponente der ultradünnen Superkondensatoren der DMH-Serie von Murata ist in 20 mm x 20 mm x 0,4 mm großen Gehäusen untergebracht und hat eine Kapazität von 35 mF über einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C. Sie haben eine Nennspannung von 4,5 V und einen elektrostatischen Widerstand (ESR) von 300 mΩ. Dank ihrer schlanken Form passen DMH-Einheiten unter eine Knopfzellenbatterie oder in jeden freien Platz im Knoten.
Intelligentes Energiemanagement
Unabhängig von der Speicherquelle oder -methode ist es wichtig, das Beste aus der gesammelten Energie zu machen und die Verlustenergie zu minimieren. Dies kann erreicht werden, indem die neue Generation von Power Management Integrated Circuits (PMICs) spezifiziert wird, die kürzlich auf den Markt kommen.
Der LTC3588-2 von Analog Devices integriert einen verlustarmen Vollwellen-Brückengleichrichter sowie einen hocheffizienten Abwärtswandler. Diese Kombination bietet Ingenieuren eine umfassende optimierte Energieerfassungslösung, um Strom aus allen Arten von Quellen zu beziehen, einschließlich piezoelektrischer, elektromechanischer und Solarzellen sowie magnetischer Wandler. Eine effiziente Leistungsaufnahme wird erreicht, wenn ein ultraniedriger Eingangsruhestrom von 830 nA im UVLO-Modus (Low Voltage Lockout) mit einem ansteigenden Schwellenwert von 16 V gezogen wird. Die UVLO-Schwelle ermöglicht auch die Multiplikation des Eingangsstroms mit dem Ausgangsstrom durch den hocheffizienten Synchronregler. Der Regler zeigt einen Ruhezustand an, der sowohl den Eingangs- als auch den Ausgangsruhestrom während des Regelvorgangs minimiert. Pro Klemmen können vier Ausgangsspannungen von 3,45 V, 4,1 V, 4,5 V und 5,0 V mit einem Dauerausgangsstrom von bis zu 100 mA ausgewählt werden, wodurch dieses Gerät sowohl für Superkondensatoren als auch für Batteriebatterien, Lithium-Ionen und LiFePO4 geeignet ist. Ein Eingangsschutzwiderstand (bis 25mA Einbruch bei 20V) schützt vor Überspannung.
Abbildung 1: Typische Anwendung des LTC3588-2.
Die PMICs S6AE101A für Energy Harvesting von Cypress sind für die Anwendung in winzigen solarbetriebenen drahtlosen Sensoren mit PV-Zellen von nur 1 cm22 ausgelegt Sie decken einen Eingangsspannungsbereich von 2 V bis 5,5 V ab und ihre Ausgangsspannung kann zwischen 1,1 V und 5,2 V eingestellt werden. Jeder dieser PMICs verwendet einen integrierten Steuerschalter, um die von der zugehörigen Solarzelle erzeugte Energie in einem Ausgangskondensator zu speichern. Überspannungsschutz ist in die Eingangsanschlüsse der Solarzelle eingebaut. Dieser PMIC ist in SON-10-Einheiten von 3 mm x 3 mm erhältlich und hat eine Startleistung von 1,2 µW und eine Stromaufnahme (mindestens) von 250 nA. Dies erhöht die verfügbare Leistung für die Erfassung, Verarbeitung und Kommunikation für bestimmte Anwendungen, wie z. B. BLE-Beacons und batterielose drahtlose Sensoren für die Gebäude-/Fabrikautomatisierung und intelligente Landwirtschaft.
Abbildung 2: Das Cypress S6AE101A
Die energieautarken Schutz- und Ladegeräte MAX17710 von Maxim Integrated umfassen alle Power-Management-Funktionen zum Ziehen von Umgebungsstrom aus Quellen mit Ausgangspegeln im Bereich von 1 µW bis 100 mW. Sie enthalten ein Lithium-Ladegerät mit einem 1-nA-Standby-IQBATT, bieten eine lineare Wiederaufladung von 625 nA und einen Boost-Ladewert von 1 µW. Diese ICs sind in UTDFN-Einheiten von 3 mm x 3 mm x 0,5 mm untergebracht und unterstützen Niederspannungsausgänge (LDOs) von 1,8 V, 2,3 V oder 3,3 V. Die Booster-Reglerschaltung ermöglicht das Aufladen von Quellen mit nur 0,75 V (typischer Wert).
Abbildung 3. Vereinfachte Betriebsschaltung des MAX17710.
