Schaltungsentwurf für batteriebetriebene

ALTERNATIVE ENERGIEN // INTERNET DER DINGE
Schaltungsentwurf für batteriebetriebene Funkkomponenten
Kommunikation per Funk entwickelt sich zum Standard elektronischer
Geräte. Mobilität wird aber nur dann erreicht, wenn die Stromversorgung dieser Geräte ebenfalls keine Kabel mehr benötigt.
CHRISTIAN PÄTZ *
Blockschaltbild: Funksensoren, egal ob für standardisierte Funkprotokolle wie IEEE 811.15.4, Z-Wave,
wireless M-Bus oder EnOcean sind meist gleich aufgebaut.
K
ommunikation per Funk entwickelt
sich zum Standard elektronischer Geräte. Mobilität wird aber nur dann
erreicht, wenn die Stromversorgung dieser
Geräte ebenfalls keine Kabel mehr benötigt.
Dafür existieren heute zwei grundsätzliche
Möglichkeiten. Entweder wird die Energie
per Energy Harvesting aus einer Energiequelle der Umgebung wie Bewegung, Temperaturunterschied oder elekromagnetische Felder gewonnen, oder es werden Batterien
verwendet. Da Energy Harvesting immer
noch vergleichsweise teuer ist und auch nur
minimale Energie bereitstellt, ist der Einsatz
von Batterien das übliche Mittel der Wahl.
Batterien mit unterschiedlich
langer Lebensdauer
Sobald Elektronik von Batterien gespeist
wird, ist der Stromverbrauch und damit die
Lebensdauer der Batterie ein entscheidendes
* Prof. Dr.-Ing. Christian Pätz
... ist Stiftungsprofessor für Systemzuverlässigkeit
an der TU Chemnitz
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Entwurfskriterium. Je nach Einsatzzweck soll
eine Batterie ein Produkt auch mehrere Jahre mit Energie versorgen. Ideal sind zum
Beispiel bei Rauchmeldern Batterielaufzeiten von zehn Jahren, weil das Gerät nach
dieser Zeit ohnehin ausgetauscht werden
sollte. Eine Batterielaufzeit von weniger als
einem Jahr ist für Consumergeräte kaum
noch zu vermitteln.
Der Energiegehalt einer Batterie wird meist
in Amperestunden (Ah) angegeben. Wird
dieser Wert durch die erwartete Batterielebensdauer geteilt, ergibt sich die maximale
Stromaufnahme der durch diese Batterie zu
speisenden Elektronik. Diese Berechnung ist
leider nur bedingt richtig und maximal als
erste grobe Abschätzung der Verhältnisse
tauglich. Für eine genauere Abschätzung der
Lebensdauer muss eine Reihe von Parametern in Betracht gezogen werden.
Batterien beruhen auf verschiedenen chemischen Stoffen. Batterien auf Basis von
Lithiumverbindungen sind aufgrund ihrer
hohen Energiedichte und ihrer günstigen
elektrischen Eigenschaften besonders be-
liebt. Eine günstige Eigenschaft ist, dass Lithium-Zellen im Gegensatz zu Alkaline-Batterien ihre Zellspannung über einen größeren Strombereich konstant halten. Es ist also
möglich, auch größere Lastspitzen aus den
Batterien zu entnehmen ohne Spannungseinbrüche befürchten zu müssen. Diese Eigenschaft lässt jedoch mit zunehmender
Entladung der Batterie nach. Der Grund dafür ist der größer werdende Innenwiederstand der Batterien.
Abbildung 1 zeigt diesen Innenwiederstand einer CR2032-Knopfzelle in Abhängigkeit von der Restladung (andere Bauformen
der CR-Kopfzellen zeigen ein identisches
Verhalten). Diese Abhängigkeit ist für die
Dimensionierung der Elektronik besonders
wichtig. In der Regel endet die Batteriespeisung nicht damit, dass die Kapazität der
Batterie erschöpft ist, sondern weil bei gegebener Stromaufnahme die von der Batterie
zur Verfügung gestellte Spannung unter einen Minimalwert fällt, der von der Elektronik
zum Betrieb benötigt wird. Eine kurze Rechnung soll dies verdeutlichen: Eine Elektronik
soll mindestens 2,4 V Spannung benötigen
und zieht Stromspitzen von 30 mA aus der
Batterie. Der Innenwiderstand der Batterie
ist in Reihe zum Widerstand der Last. Aus
den Kirchhoff´schen und dem Ohm´schen
Gesetz folgt damit, dass bei einem Innenwiderstand von 60 Ohm der Batterie die Spannung über der Last unter 2,4 V fällt. Eine
solche durchaus übliche elektrische Charakteristik einer Schaltung wird die CR2032Batterie also zu gerade mal 50% entladen.
Dimensionierung von Schaltung
und Batterie
Zur Dimensionierung von Schaltung und
Batterie wird also neben dem durchschnittlichen Strom der maximale Strombedarf und
die dafür notwendige minimale Betriebsspannung benötigt. Die Ladungsangaben der
meisten Batterien beziehen sich in der Regel
auf einen konstanten sehr niedrigen Entla-
ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 15 7.8.2014
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destrom, der bei direkter Speisung der Schaltung kaum zu erreichen ist. Das Ergebnis ist
eine deutlich geringere Betriebszeit, je nachdem, wie sensibel die gewählte Batterie auf
die maximale Stromaufnahme reagiert. Eine
Verbesserung der Situation ist durch Schaltungsmaßnahmen möglich. Step-Up-Wandler können die Batteriespannung auf das für
die Schaltung benötigte Minimum heben,
benötigen aber dann bei geringeren Spannungen wiederum deutlich höheren Strom
zur Bereitstellung der notwendigen Leistung
für die Elektronik.
Lithium-Batterien können zwar höhere
Ströme liefern, ihre Gesamtladung nimmt
dabei aber überproportional ab. Für die CRKnopfzellen wird in der Regel ein maximaler
Entladestrom von 15 mA angegeben. Die Untersuchung von Mathias Jensen, White Paper
SWRA349: Coin cells and peak current draw,
Texas Instruments, 2010, zeigt, dass sich bei
einem doppelt so hohen Entladestrom die
Ladekapazität unabhängig von der höheren
Energieentnahme zusätzlich um 10..30%
verringert.
Damit sind dem Einsatz von Step-UpWandlern gewisse Grenzen gesetzt, weil zum
einen zwar bei geringerer Zellspannung noch
Abbildung 1:
Innenwiderstand
einer CR2032-Zelle
in Abhängigkeit von
Restladung
eine Versorgung der Elektronik gewährleistet
wird, zum anderen aber der insgesamt höhere Stromfluss zu noch schnellerer Ermüdung
der Batterie führt.
Funksensoren, egal ob für standardisierte
Funkprotokolle wie IEEE 811.15.4, Z-Wave,
Wireless M-Bus oder EnOcean sind meist
gleich aufgebaut. Sie bestehen aus einem
Mikroprozessor mit flüchtigem und nichtflüchtigem Speicher; gern auch als System
on Chip (SoC), einem Kommunikationsradio
mit Sende- und Empfangsfunktion sowie der
eigentlichen Sensorik- bzw. Aktorik. Je nach
Technologie können noch spezielle Schaltungen zur Stromversorgung hinzukommen
insbesondere dann, wenn mehrere Spannungen für die Elektronik benötigt werden oder
die Betriebsspannung der Elektronik nicht
mit der Nennspannung der eingesetzten Batterie übereinstimmt.
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Um eine Elektronik mit Batterien speisen
zu können, muss diese über einen besonders
geringen Ruhestrom verfügen. Meist werden
Teile der Elektronik oder die gesamte Schaltung abgeschaltet und nur bei Bedarf aktiviert. Viele Prozessoren verfügen über einen
Schlafmodus, in dem nahezu alle Funktionen außer einem Timer abgeschaltet sind.
Die in diesem Ruhemodus abgenommene
Energie ist die erste wichtige Entwurfsgröße.
Verschiedene Betriebsphasen
der Elektronik
Heutige SoCs der oben genannten Funktechniken benötigen im Tiefschlafmodus ca.
1 µA Strom bei einer Betriebsspannung von
2...3 V. Im Schaltungsentwurf muss sichergestellt werden, dass alle nicht benötigten aber
energieverbrauchenden Teile einer Schaltung abgeschaltet oder in einen Tiefschlafmodus versetzt werden können. Besonderes
Augenmerk ist hier auf Pull-Up-Widerstände,
Spannungsteiler, etc. zu legen, die alle sehr
hochohmig ausgelegt oder per MOSFET abschaltbar sein sollten.
Da eine Elektronik im Tiefschlafmodus
wenig Nutzen hat, wird es immer Modi geben, in denen die CPU arbeitet und der Transceiver aktiv ist. Viele Sensoren durchlaufen
eine solche Aktivphase in ähnlicher Art und
Weise. Abbildung 2 zeigt die typische Stromaufnahme, hier für eine Funkfernbedienung
mit der Funktechnik Z-Wave. Für derartige
Aufzeichnungen eignet sich ein gutes Speicheroszilloskop oder ein spezieller Batterie-
Abbildung 2: Stromverbrauch eines Funksensors, aufgezeichnet mit einem Batterielogger
stromlogger, wie er zum Beispiel im Beitrag
von Christian Rossberg, Christian Pätz, Batteriemessgerät für Smart-Home-Produkte im
Eigenbau, ELEKTRONIKPRAXIS 172014, S.54f
vorgestellt wurde.
Deutlich sind verschiedene Betriebsphasen zu erkennen: Die kurzen Stromspitzen
entstehen durch das Aussenden von Funksignalen, der obere Wert von ca. 30 mA bedeutet, dass der Radioempfänger aktiv ist, wäh-
Die Kernpunkte des Beitrags
Beim Entwurf von funkbasierten Sensoren oder Aktoren sind die folgenden Optimierungshinweise zu beachten:
„„ Die Multiplikation von durchschnittlicher Stromstärke und Endladezeit ist
nur eine erste, in der Regel viel zu optimistische Abschätzung für die Batterielebensdauer.
„„ Entwurfsgrößen sind der maximale Stromverbrauch und die minimal
notwendige Versorgungspannung der
Elektronik. Im Zusammenhang mit der
Erhöhung des Innenwiderstandes der
Batterie ergibt sich damit die Ladekapazität, die der Batterie maximal entnommen werden kann. Durch Zusatzschaltungen wie Step-Up-Wandler kann diese
Ladung gegebenenfalls erhöht werden,
wenn der damit verbundene höhere Entladestrom dem nicht entgegensteht.
„„ Der im Ruhemodus benötigte Strom
ist eine sehr kritische Entwurfsgröße. Peripherie, die nicht benötigt wird, muss in
diesem Modus deaktiviert sein. Pull-UpWiderstände und externe Spannungsteiler sind zu vermeiden oder sehr hochohmig auszulesen.
„„ Bei den meisten Funkkomponenten ist
der eingeschaltete Empfänger energetisch am teuersten. Hier muss durch die
Firmware der Steuer-CPU sichergestellt
werden, dass dieser Empfänger so spät
wie möglich ein- und so zeitig wie möglich wieder ausgeschaltet wird.
„„ Das Schaltungsdesign sollte im Prototypenstadium durch einen Batteriestromlogger geprüft werden. Für die
Firmware-Entwicklung kann das direkte
Feedback durch einen solchen Logger
wertvolle Entwurfshinweise liefern.
rend der untere Wert von ca. 15 mA eine aktive CPU anzeigt. Die weitere Stromspitze
direkt nach dem Aktivieren der CPU entsteht
durch LEDs, Zugriffe auf einen externen EEPROM und andere Peripheriekomponenten.
Da Z-Wave ein rückbestätigendes Funkprotokoll ist, muss der Empfänger nach dem
Aussenden von Funksignalen länger aktiv
bleiben. Aus Abbildung 2 wird ersichtlich,
dass eine solche Rückbestätigung zwar aus
Kommunikationsgründen wünschenswert
oder sogar zwingend notwendig ist, aus energetischen Gründen jedoch sehr teuer ist. Die
kurzen Sendeimpulse definieren zwar den
maximalen Strombedarf, dieser wird aber
nur vergleichsweise kurz benötigt und ist
daher weniger „teuer“.
Optimierungspotenzial in
puncto Energiebedarf
Ein derartiger Stromverbrauchsverlauf hat
Optimierungspotenzial. Pufferkondensatoren entsprechender Kapazität können die
hohen Stromspitzen beim Senden abfedern
und damit in der Praxis den maximalen
Strombedarf auf den Wert begrenzen, der
beim eingeschalteten Empfänger benötigt
wird. Der Empfänger muss nur eingeschaltet
sein, wenn dies auch wirklich notwendig ist.
Auch die CPU muss so bald wie möglich nach
Beendigung der Kommunikation wieder deaktiviert werden, wenn keine weiteren Aufgaben abgearbeitet werden müssen. // MK
TU Chemnitz
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