Energieversorgungsmodul_Thesis_Unrein_16_02_17
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Fakultät Elektrotechnik / Informationstechnik Abschlussarbeit Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls zur autarken Versorgung von Funkmodulen Von Stefan Unrein Studiengang: Elektrotechnik / Informationstechnik Vertiefung: Kommunikationstechnik Anschrift: Burgheimerstraße 71, 77933 Lahr Email-Adresse: [email protected] Korrektor: Prof. Dr.-Ing. Elke Mackensen Zweitkorrektor: Prof. Dr. rer. nat. Michael Schmidt Eingereicht am: 28. Februar 2017 Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, die vorliegende Abschlussarbeit selbstständig und nur unter Verwendung der von mir angegebenen Quellen und Hilfsmittel verfasst zu haben. Sowohl inhaltlich als auch wörtlich entnommene Inhalte wurden als solche kenntlich gemacht. Die Arbeit hat in dieser oder vergleichbarer Form noch keinem anderem Prüfungsgremium vorgelegen. Datum: Unterschrift: Zusammenfassung Diese Abschlussarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls. Das Modul soll gleichzeitig aus drei Energy-Harvestern Energie sammeln und diese in einem Doppelschichtkondensator zwischenspeichern. Diese Energie kann anschließend von einem Funksensorknoten zum Sammeln und Übermitteln von Daten genutzt werden. Solch ein aufgebautes System verspricht bei einem geringen Volumen eine hohe Lebensdauer, geringen Wartungsaufwand und eine hohe Leistung, ohne dass eine drahtgebundene Energieversorgung oder große Batterien notwendig sind. Nach dem Erstellen eins Konzepts und der Auswahl der dafür passenden Komponenten wurde zunächst ein Evaluations-Board aufgebaut. Auf diesem wurden alle in Frage kommenden Komponenten vermessen und die Funktion getestet. Aus den dadurch erworbenen Erkenntnissen wurde das miniaturisierte Energieversorgungs-Modul entwickelt. Das miniaturisierte Modul bietet folgende Möglichkeiten: Aus drei verschiedenen Energy Harvestern wird gleichzeitig die Energie gesammelt und aufbereitet. Durch die Nutzung eines effizienten Wandler-Moduls wird bei der Energieaufbereitung eine Effizienz von über 85 % erreicht. Drei Wandler-Module verbrauchen zusammen lediglich eine Leistung von P = 3, 459 µW . Der Maximum Power Point jedes einzelnen Harvesters kann separat eingestellt werden. Auch alle anderen Komponenten werden stromsparend gewählt. Die Energie wird in einem 1, 5 F Doppelschichtkondensator gespeichert. Zusätzlich wird als Backup-Energieversorgung eine Lithium Knopfzelle eingesetzt. Dadurch können auch sicherheitskritische Anwendungen realisiert werden. Konnte durch die Energy Harvester nicht genügend Energie gesammelt werden, wird die Batterie dem Funksensorknoten zugeschaltet. Das miniaturisierte Modul hat die Maße 20 mm x 40 mm. Nach abschließenden Messungen mit einem neu implementierten Funksensorknoten, der in einer anderen Bachelorthesis entstanden ist [1], wurde eine Sendewiederholrate von 1, 1 s nachgewiesen. Dies stellt einen sehr guten Wert dar und reicht für die meisten Anwendungen aus. Zuletzt wird aus allen Komponenten inklusive des Funksensorknotens ein Demonstrationsmuster zusammengebaut. Dieses hat die Maße von 5 cm x 5 cm x 5 cm und kann zur weiterführenden Forschung oder als Anschauungsmaterial genutzt werden. Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis V 1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Aufgabenstellung und Abgrenzung der Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Stand der Technik 2.1 2.2 2.3 5 Energy Harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Thermogenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3 Vibrationswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 DC/DC-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 Step-Up-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.2 Step-Down-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.3 Dimensionierung und Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.1 Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.2 Doppelschichtkondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 Ultra-Low-Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5 Wandler-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6 Maximum Power Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 Systementwurf und Komponentenwahl 23 3.1 Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Auswahl der Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.1 Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.2 Thermogenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.3 Vibrationswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2.4 Wandler-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 I Inhaltsverzeichnis 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 3.2.9 Energiespeicher . . . . . . . . Spule . . . . . . . . . . . . . . Gleichrichter . . . . . . . . . . Halbleiterschalter . . . . . . . Schnittstelle zum Funkmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Entwicklung eines Evaluation-Boards 4.1 Erstellung des Schaltplan und des Platinendesigns 4.2 Vermessen der Komponenten . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Wandler-Modul . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Load-Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Vermessung der restlichen Komponenten . . . . . 4.3.1 Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Thermogenerator . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Vibrationswandler . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Doppelschichtkondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Entwicklung des miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls 5.1 Entwickeln der Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Vermessung der Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Zusammenbau eines Demonstrationsmusters . . . . . . . . 5.4 Messungen mit dem Funksensorknoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 31 31 31 32 . . . . . . . . . . . 35 35 37 38 40 41 41 43 43 44 45 46 . . . . 49 49 52 53 53 6 Bewertung und Ausblick 55 Literaturverzeichnis 57 Anhang 60 A.1 Schaltplan Evaluation Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 A.2 Schaltplan miniaturisiertes Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 II Abbildungsverzeichnis 1.1 Blockschaltbild eines Funkknotens mit einer Energieversorgung aus Energy Harvestern inklusive Aufbereitung [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.1 Physikalische Energiequellen und ihre dazugehörigen Wandler [2] . . . . . . . . . 5 2.2 Prinzip eines Thermopaares [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Aufbau eines Thermogenerators [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.4 pn-Übergang mit Raumladungszohne [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.5 Effizienz von Solarzellen seit dem Jahr 1976 [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.6 Induktion mit einem Permanentmagnet durch eine Spule [11] . . . . . . . . . . . 10 2.7 Vibrationswandler mit Piezoschicht [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.8 Aufbau des Step-Up-Wandler [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.9 Funktion des Step-Up-Wandler [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.10 Aufbau des Step-Down-Wandler [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.11 Funktion des Step-Down-Wandler [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.12 Strom des Step-Up-Wandler [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.13 Ausgangsleistung verschiedener Primär- und Sekundärbatterien im Vergleich [3] 17 2.14 Vergleich zwischen dem Aufbau eines klassischen und eines Doppelschichtkondensators [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.15 Beispielhafte Betriebskennlinie einer Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.16 Unbelasteter Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.1 Blockschaltbild des dreifachen Harvesting Moduls mit Energy Harvester . . . . . 24 3.2 Aufbau des eigenen Vibrationswandlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3 Neodym-Magnet[17] und fertiger Vibrationswandler . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4 Ausgewählte Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5 6-polige Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.1 Evaluation-Board Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2 Nahaufnahmen des Evaluation-Boards nach dem Löten . . . . . . . . . . . . . . 37 4.3 Gesamtansicht des Evaluation-Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 III Abbildungsverzeichnis 4.4 4.5 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 Aufbau Effizienzmessung der DC-DC-Wandler mit Lastwiderstand . . . . . . . . Effizienz der HM bei konstanter Eingangsspannung von 1, 5 V und variiertem Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effizienz der HM bei konstantem Eingangsstrom von 500 µA und variierter Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebskennlinie Gleichrichter CBRHDSH1-40L . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-MOSFET Leckstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Load-Switch Leckstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Load-Switch An- und Abstiegszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebskennlinie der Solarzelle Sanyo AM-1815CA . . . . . . . . . . . . . . . . Aufnahme der Vibrationswandler-Spannung mittels Oszilloskop . . . . . . . . . Messung der Selbstentladung des Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 40 41 42 43 44 46 47 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Platinendesign des miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls . Steckverbinder der Harvester samt Spannungsteiler für MPPT . Nutzen Gesamtansicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gefertigte Energieversorgungs-Module . . . . . . . . . . . . . . Demonstrationsmuster mit allen Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 50 51 51 53 A.1 A.2 A.3 A.4 Schaltplan Schaltplan Schaltplan Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 62 63 65 4.6 IV Evaluation Board Hauptseite . . . . . Evaluation Board bq25504 . . . . . . . Evaluation Board ADP5090 . . . . . . des miniaturisierten Energy Harvesting . . . . . . . . . . . . . . . Moduls . . . . . . . . . . . . 38 39 Tabellenverzeichnis 2.1 2.2 Kenndaten von Primär- und Sekundärbatteriesystemen [3] . . . . . . . . . . . . 17 Vergleich zwischen einem Doppelkondensator und einer Sekundärbatterie [3] . . 19 3.1 3.2 Vergleich von Indoor-Solarzellen bei 200 lux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Verlgeich der Harvesting Module mittels Datenblattangaben [18][19][20] . . . . . 28 4.1 4.2 Messwerte der Wandler-Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Load-Switch An- und Abstiegszeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5.1 Messung des miniaturisierten Moduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 V 1 Einleitung 1.1 Motivation Die heutigen elektronischen Geräte werden oft vernetzt, meist drahtlos. Um die Mobilität elektronischer Geräte nicht einzuschränken, sollte auch die Energieversorgung ohne Kabel erfolgen. Bei medizinischen Implantaten ist eine kabelgebundene Energieversorgung beispielsweise gar nicht möglich. Momentan werden für diesen Zweck verschiedene Arten von Batterien benutzt. Da diese allerdings in regelmäßigen Zeitabständen geladen oder ersetzt werden müssen, entsteht ein kostenintensiver Wartungsaufwand. Davon ist heutzutage und in naher Zukunft, trotz der weit entwickelten Akkutechnologien, auszugehen. Um eine möglichst lange Lebensdauer der Batterien für die Energieversorgung zu gewährleisten, muss das Volumen entsprechend groß gewählt werden. Entscheidend dabei ist jedoch auch die Batterietechnologie, da viele Typen trotz bester Bedingungen eine Lebensdauer von zehn Jahren nicht erreichen. Dabei ist an jedem Ort physikalische Energie verfügbar, sei es durch Licht, Bewegung oder die ursprünglichste aller Energieformen: Wärme. Da liegt es Nahe, dass bei Systemen, die nur schwer zugänglich sind oder nicht mit Kabeln versorgt werden können, die benötigte elektrische Energie am selben Ort zu erzeugen und zu speichern. Dafür werden verschiedene Energiewandler (eng. Energy Harvester) eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist eine Solarzelle, die elektromagnetische Strahlung des sichtbaren Bereichs in elektrische Energie wandelt. Allerdings ist Licht, speziell Sonnenlicht, nur zu bestimmten Tageszeiten verfügbar. Solche Probleme haben wiederum alle Energiewandler. Die einzelnen Energieformen sind zu unterschiedlichen Bedingungen verfügbar, wie beispielsweise Sonnenlicht am Tag, Wind bei Nacht oder Wärme im Sommer. Für eine sichere Energieversorgung sollten deshalb verschiedene Energiewandler zusammen genutzt werden. Durch eine geschickte Auswahl und Positionierung von mehreren Wandlern kann so die Wahrscheinlichkeit deutlich erhöht werden, dass zu jeder Zeit genügend Energie vorhanden ist. Dadurch können eine höhere Lebensdauer und ein geringeres Volumen des Systems erreicht werden. [2] 1 KAPITEL 1. EINLEITUNG 1.2 Aufgabenstellung und Abgrenzung der Aufgabe Diese Abschlussarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines miniaturisierten EnergieversorgungsModuls, das Funksensorknoten autark versorgen kann. Das Energieversorgungs-Modul soll dabei aus drei verschiedenen Energiequellen gleichzeitig die Energie sammeln, womit eine sichere Versorgung des Sensorknotens gewährleistet werden soll. Die Aufbereitung der gesammelten Energie sowie auch die Speicherung in einem Energiespeicher sollen so effizient wie möglich sein, um die begrenzte Energiemenge nicht zu vergeuden. Zusätzlich benötigte Komponenten wie Kondensatoren, Spulen und Halbleiterschalter sollen möglichst verlustarm gewählt werden. Durch Reserven bei der Dimensionierung der Komponenten sollen eine hohe Lebensdauer von zehn Jahren gewährleistet werden. Ziel ist es, einen Funksensorknoten, der zunächst seine Daten sammelt und diese anschließend in einem Datenpaket abschickt, zu versorgen. Den größten Verbrauch hat hier das Funkmodul selber, weshalb es wichtig ist, dass genügend Energie für das Senden eines kompletten Paketes zur Verfügung gestellt wird. Aus diesem Grund soll dem Funksensorknoten signalisiert werden, sobald das Energieversorgungs-Modul genug Energie für eine Funkübertragung gesammelt hat. Ist dieses Signal aktiv, darf der Funksensorknoten senden. Der grobe Aufbau eines solchen Systems ist in Abbildung 1.1 ersichtlich. Um eine sichere Übertragung zu garantieren, kann zusätzlich auf eine Back-Up Batterie zurückgegriffen werden. Abbildung 1.1: Blockschaltbild eines Funkknotens mit einer Energieversorgung aus Energy Harvestern inklusive Aufbereitung [3] Als Endprodukt soll ein Demonstrationsmuster entstehen, das alle drei Energiewandler, das Energieversorgungs-Modul und einen exemplarischen Funksensorknoten, der im Rahmen einer anderen Thesis entsteht, vereint. Das Demonstrationsmuster soll, genau wie alle anderen Komponenten, über möglichst kleine Abmaße verfügen. Auch wenn für das Demonstrationsmuster drei Energiewandler gewählt werden, ist es nicht Teil der Aufgabe, diese zu entwickeln. Vorrangig ist bei der Auswahl der Komponenten auf eine passende Größe zum Demonstrationsmuster zu achten. Abschließend soll eine energetische Betrachtung mit dem exemplarischen Funksensorknoten aus [1] durchgeführt und die Schnittstelle zwischen den beiden Modulen definiert 2 KAPITEL 1. EINLEITUNG werden. Zusammenfassend sind die Anforderungen an das zu entwickelnde Energieversorgungs-Modul wie folgt: • Hohe Effizienz bei der Energieaufbereitung und Speicherung • Geringe Verluste aller Komponenten • Möglichst geringe Maße des Energieversorgungs-Moduls sowie des Demonstrationsmusters • Hohe Leistungsbereitschaft für das Funkmodul • Hohe Langlebigkeit der einzelnen Komponenten und des Gesamtsystems 1.3 Aufbau der Arbeit Diese Arbeit gliedert sich in mehrere Punkte. Mit dem Kapitel „Stand der Technik“ soll das Grundlagenwissen aufgebaut und aktuelle Technologien aufgezeigt werden. Hierbei sind alle relevanten Bauteile, die für die Entwicklung notwendig sind, aufgeführt. Die Entwicklung des miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls vollzieht sich in mehreren Schritten. Zunächst wird ein Konzept für den Schaltplanentwurf entwickelt, womit anschließend die passenden Komponenten nach ihren Eigenschaften und Angaben gewählt werden. Dies wird in Kapitel 3 beschrieben. Im nächsten Schritt wird ein Evaluation-Board entwickelt, um die Funktionalität der Schaltung nachzuweisen und die Daten der Komponenten zu messen, was in Kapitel 4 aufgeführt wird. Danach wird das miniaturisierte Modul selbst entwickelt und aufgebaut (Kapitel 5). Die Funktionalität wird auch hier nachgewiesen. Abschließend werden in Kapitel 6 die Ergebnisse bewertet sowie ein Ausblick gegeben. 3 2 Stand der Technik In diesem Kapitel werden Grundlagen zu den wichtigsten Komponenten erklärt, um die Funktionsweise des Energieversorgungs-Moduls zu verstehen. Auch die Probleme und Herausforderungen bei der Auswahl werden erläutert. 2.1 Energy Harvesting Unter „Energy Harvesting“ versteht man das Wandeln bzw. Sammeln (eng. to harvest) von elektrische Energie aus anderen physikalischen Energieformen. Dies geschieht bei jedem Wandler durch einen anderen physikalischen Effekt und mit anderen Energieformen. Die am häufigsten benutzten Umgebungsenergiequellen sind Wärme, kinetische Energie und Energie aus elektromagnetischer Strahlung. Eine Zuordnung zwischen diesen und den passenden Wandlern ist in Abbildung 2.1 zu sehen. Abbildung 2.1: Physikalische Energiequellen und ihre dazugehörigen Wandler [2] Im Folgenden werden der thermoelektrische Generator, die Solarzelle und der Vibrationswandler näher erläutert. 5 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK 2.1.1 Thermogenerator Der thermoelektrische Generator (auch Thermogenerator) ist ein Energie-Wandler, der aus einem Temperaturunterschied zwischen zwei Stellen eine elektrische Spannung erzeugt. Zugrunde liegt der Seebeck-Effekt. Ein Thermogenerator besteht aus vielen kleinen, in Serie geschalteten Thermopaaren (Abbildung 2.2). Ein Thermopaar besteht aus einem n- und einem p-dotierten Element, das durch ein Metall miteinander verbunden ist. Fließt nun ein Wärmestrom durch das Thermopaar, so haben die Elektronen auf der heißen Seite einen höheren Energiezustand als auf der kalten. Da beim n-dotierten Material ein Elektronenüberschuss besteht, werden Elektronen von der heißen auf die kalte Seite gedrängt. Beim p-dotierten Material, welches einen Elektronenloch-Überschuss hat, werden die Elektronen von der kalten Seite aufgenommen. So entsteht ein Elektronenfluss, der eine Spannung zwischen zwei Polen des Thermopaares erzeugt. Abbildung 2.2: Prinzip eines Thermopaares [4] Die Seebeckspannung lässt sich nach der Formel (2.1) berechnen. USeebeck = α · ∆T (2.1) α ist der sogenannte Seebeck-Koeffizient und ∆T ist die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und kalten Seite des Materials. Da diese Spannung im Millivolt-Bereich liegt und somit 6 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK Abbildung 2.3: Aufbau eines Thermogenerators [4] nicht praktikabel ist, wird diese durch die thermische parallel- und elektrischen Serienschaltung von einer Vielzahl an Thermopaaren vervielfacht. Dieser Aufbau ist in Abbildung 2.3 aufgezeigt. Durch die unterschiedliche Dotierung der Thermopaare haben die Elemente verschiedene Seebeck-Koeffizienten. Die Seebeck-Spannung errechnet sich für ein Thermopaar nun nach Gleichung (2.2). USeeback = N · (α1 · ∆T − α2 · ∆T ) (2.2) Dies führt schließlich zu Gleichung (2.3). USeeback = N · (α1 − α2 ) · ∆T (2.3) α1 − α2 = αElement ist nun der Seebeck-Koeffizient für ein komplettes Thermopaar. Um eine möglichst hohe Spannung zu erzeugen muss also der Seebeck-Koeffizient der beiden Materialien möglichst weit auseinander liegen. Wird dies mit der Anzahl N multipliziert, ergibt sich die Thermokraft αGenerator . Dieser Koeffizient gibt an, um welchen wert die Spannung proportional zur Themperaturdifferenz pro Kelvin ansteigt[5]. Diese Form der Energieerzeugung ist allerdings nicht sehr effizient. Denn der maximale Wirkungsgrad wird durch den Carnot-Wirkungsgrad aus Gleichung (2.4) bestimmt. [6] Tlow η =1− (2.4) Thigh Hat also ein Thermogenerator beispielsweise eine Temperatur Thigh = 350 K und Tlow = 300 K 7 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK so ist der Wirkungsgrad mit η =1− 300 K = 1 − 0, 857 = 0, 143 = 14, 3% 350 K sehr niedrig und verschlechtert sich je höher die Temperatur des gesamten Systems wird. Heutige Thermogeneratoren können mehrere hunderte Thermopaare haben, um schon bei geringen Temperaturdifferenzen nutzbare Spannungen zu erzeugen. Allerdings ist es nicht nur ein hoher Wert, der für αGenerator wichtig ist. Denn für eine konstante Temperaturdifferenz muss auch der Wärmeleitwiderstand zwischen der heißen und kalten Seite möglichst hoch sein. Die Wärmeenergie, die durch den Generator nicht umgewandelt wird, muss auf der kalten Seite abgeführt werden. Aus diesem Grund ist die Auswahl des Materials der Thermopaare für die Thermokraft und den Wärmeleitwiderstand besonders wichtig. 2.1.2 Solarzelle Eine Solarzelle wandelt elektromagnetische Strahlung – meist im sichtbaren Bereich – in elektrische Energie. Sie besteht aus einem p- und einem n-dotierten Halbleitermaterial. Anders als bei einer Silizium Diode ist die Fläche einer Solarzelle sehr groß. Im Schnittbild bleibt es aber trotzdem ein pn-Übergang (wie in Abbildung 2.4 zu sehen). Da im n-dotierten Material ein Elektronenüberschuss besteht und im p-dotierten Material ein Mangel, entsteht durch Diffusion eine Raumladungszone (RLZ). Trifft nun elektromagnetische Strahlung in Form von Licht auf den pn-Übergang, wird ein Elektron durch die RLZ transportiert und erzeugt so eine elektrische Spannung. Durch großflächiges Kontaktieren des p- und n-Materials kann nun diese Spannung abgegriffen werden. Abbildung 2.4: pn-Übergang mit Raumladungszohne [7] 8 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK Heutige Solarzellen können durch Modifikation und Anpassung des pn-Übergangs sowie durch Stapel von pn-Übergängen (sogenannte Tandemsolarzellen) Wirkungsgrade bis über 40 % erreichen. Das bedeutet, dass 40 % der Strahlungsenergie in elektrische Energie gewandelt wird. In Abbildung 2.5 ist der Fortschritt der Forschung an Solarzellen dargestellt. Spannend ist auch die Forschung an organisch-chemischen Solarzellen. Hier wird auf eine Trägerfolie die eigentliche Solarzelle aufgebracht. So werden extrem kostengünstige und flexible Solarzellen hergestellt, auch wenn der Wirkungsgrad noch bei 12 % liegt (Stand 2013). Durch diese Technik könnte in der Zukunft jede Hausfassade mit Solarzellen „tapeziert“ werden. [8] Abbildung 2.5: Effizienz von Solarzellen seit dem Jahr 1976 [9] Unterschiede gibt es auch in der Siliziumstruktur der Zellen. Es wird zwischen amorphem und kristallinem Silizium unterschieden [10]. Amorphes Silizium bedeutet, dass die Molekülstruktur unregelmäßig ist, wohingegen bei kristallinem Silizium ein regelmäßiges Kristallgitter gebildet wird. So erhalten sie auch andere Eigenschaften für den Wirkungsgrad. Amorphe Solarzellen sind auch als Indoor-Solarzellen bekannt, da sie bei sehr wenig Licht schon anfangen zu arbeiten. Kristalline Solarzellen hingegen haben bei viel Licht einen höheren Wirkungsgrad und sind daher für direkte Sonneneinstrahlung besser geeignet. 9 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK 2.1.3 Vibrationswandler Um kinetische Energie in Form von Bewegung oder Vibration in elektrische Energie zu wandeln, sind eine Vielzahl von Möglichkeiten vorhanden. Die beiden am häufigsten genutzten Effekte werden im Folgenden erklärt. Vibrationswandler mit Hilfe der Induktion Eine Bewegung kann durch elektromagnetische Induktion in elektrische Energie gewandelt werden. Beispielsweise erzeugt ein Permanentmagnet, der durch eine Spule hindurch bewegt wird, eine Induktionsspannung, die der Kraft entgegengesetzt ist (Abbildung 2.6). Denn nach dem In~ bei der Bewegung duktionsgesetz aus Gleichung (2.5) ändert sich die magnetische Flussdichte B des Magneten durch die Spule. I ~ · d~s = − E Z ~ ∂B ~ · dA ∂t (2.5) Eine mechanische Schwingung kann so mittels eines Magneten und einer Spule eine Wechselspannung erzeugen (Generatorprinzip). Die Höhe der Spannung ist proportional zur magnetischen Flussdichte B und zur Fläche A. Die Fläche der Spule – und damit die Spannung – kann durch die Windungszahl angepasst werden. Ein Vibrationswandler mit solch einem einfachen Abbildung 2.6: Induktion mit einem Permanentmagnet durch eine Spule [11] Aufbau ist sehr günstig herzustellen. Außerdem ist dieser Aufbau robust und langlebig. Es muss allerdings darauf geachtet werden, dass der Magnet innerhalb seiner Spezifikationen bezüglich 10 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK der Temperatur betrieben wird, da er ansonsten seine Magnetisierung verliert. Wenn höhere Leistungen oder höhere Spannungen erzeugt werden sollen, können das Volumen und die Masse durch einen großen Magneten sehr groß werden, was nachteilig zu betrachten ist. Vibrationswandler mit Hilfe des Piezoeffekt Eine andere Möglichkeit Vibration in elektrische Energie zu wandeln, ist die Nutzung des Piezoeffekts. Wird ein Piezomaterial – meist ein Kristall – durch eine gerichtete Kraft verformt, bilden sich in den Elementarzellen Dipole. Durch äußere Kontaktierung mittels Elektroden kann nun eine Spannung abgegriffen werden [12]. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden kann aber auch der Kristall verformt werden, was den inversen Piezoeffekt beschreibt. Schon bei geringer Verformung entsteht eine hohe Spannung, die sogar zur Funkenbildung führen kann. Wird nun ein Piezokristall auf ein biegbares Trägermaterial aufgebracht, kann dieses durch eine mechanische Schwingung in Bewegung versetzt werden. In Abbildung 2.7 ist solch ein Wandler zu erkennen. Mit diesem Prinzip lassen sich die unterschiedlichsten Größen herstellen. Noch sind Wandler mit diesem Aufbau sehr kostspielig. Auch die hohen Spannungen, die leicht durch eine ungewollte Auslenkung des Materials auftreten können, sind für empfindliche Systeme nicht geeignet und schwer zu beherrschen. Abbildung 2.7: Vibrationswandler mit Piezoschicht [13] 2.2 DC/DC-Wandler Ein DC/DC-Wandler (auch Schaltregler) ist ein Spannungswandler, der – je nach Aufbau – die Eingangsspannung hoch- oder runter wandelt. Der Vorteil gegenüber Linearreglern ist der 11 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK hohe Wirkungsgrad der über 90 % betragen kann. Ein DC/DC-Wandler nutzt eine Spule als Speicher. Durch die Änderung des Aufbaus kann eine Spannung höher bzw. niedriger der Eingangsspannung oder gar invers erzeugt werden. Für diese Abschlussarbeit sind besonders der Step-Up-Wandler (eng. für Schritt-Hoch, oder Aufwärtswandler), der eine Ausgangsspannung, die größer als die Eingangsspannung ist, erzeugt oder der Step-Down-Wandler (eng. für Schritt-Runter, oder Abwärtswandler), der eine Ausgangsspannung, die kleiner als die Eingangsspannung ist, erzeugt. Deren Funktion wird nun genauer erklärt. Anschließend werden die Dimensionierung und Moglichkeiten aufgezeigt, die die Effizienz steigern können. [14] 2.2.1 Step-Up-Wandler Wie bereits im vorherigen Kapitel erwähnt, wandelt der Step-Up-Wandler eine Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung. In Abbildung 2.8 ist der prinzipielle Aufbau zu sehen. Die Spule dient als Energiespeicher. Durch einen Halbleiterschalter, der von einem Regler gesteuert wird, wird der Stromfluss der Spule umgeleitet. Eine Diode ist im Vorwärtszweig angebracht, um einen Rückstrom aus dem Kondensator zu verhindern. Der Kondensator am Ende der Schaltung glättet die Ausgangsspannung. Zunächst ist der Schalter geschlossen (Ab- Abbildung 2.8: Aufbau des Step-Up-Wandler [14] bildung 2.9(a)). So wird ein Stromfluss in der Spule langsam aufgebaut. Im nächsten Schritt wird der Schalter geöffnet (Abbildung 2.9(b)). Da die Spule den Stromfluss erhält, wird der Kondensator über die Diode geladen. Durch das periodische Laden und Entladen der Spule ergibt sich eine Dreiecksform für den Strom. Ist nun der Mittelwert dieses Stromes der Spule größer als der Ausgangsstrom der Schaltung, so wird der Kondensator auf eine höhere Spannung geladen als der Eingangswert. Die Ausgangsspannung wird von einem Regler überwacht. Durch das Anpassen des Tastverhältnisses des Halbleiterschalters kann die Ausgangsspannung 12 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK (a) Schritt 1: Laden der Spule (b) Schritt 2: Laden des Kondensators Abbildung 2.9: Funktion des Step-Up-Wandler [14] geregelt werden [14]. Hier gilt Gleichung (2.6). Uout = Uin · Ton + Tof f Tof f (2.6) = Uin · (1 + Ton ) Tof f 2.2.2 Step-Down-Wandler Der Step-Down-Wandler ist eine effiziente Möglichkeit eine Spannung zu erzeugen, die niedriger als die Eingangsspannung ist. Der Prinzipaufbau ist in Abbildung 2.10 aufgezeigt. Die Komponenten sind die Gleichen wie beim Step-Up-Wandler, allerdings anders angeordnet. Hier ist der Halbleiterschalter das erste Element und für das Zu- und Abschalten der Eingangsspannung zuständig. Die Spule ist auch hier als Energiespeicher zuständig. Auch ein Kondensator ist am Ausgang für die Spannungsglättung da. Um beim geöffneten Schalter den Stromfluss der Spule zuzulassen, muss noch eine Diode zwischen Schalter und Spule nach Masse platziert werden. [14] Zunächst ist der Schalter geschlossen, so werden die Spule und der Kondensator gleichzeitig geladen (Abbildung 2.11(a)). Wird der Schalter nun geöffnet, entlädt sich die Spule über den Kondensator und die Diode (Abbildung 2.11(b)). Der Stromfluss nimmt dabei stetig ab. Die maximale Spannung am Ausgang entsteht also, wenn der Schalter die ganze Zeit geschlossen bleibt. Es stellt sich die Eingangsspannung ein. Wird das Tastverhältnis des Schalters angepasst, sinkt die Spannung am Ausgang mit dem Tastverhältnis [14]. Auch hier wird die Ausgangsspannung durch das Tastverhältnis des Reglers geregelt und errechnet sich nach Gleichung (2.7). 13 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK Abbildung 2.10: Aufbau des Step-Down-Wandler [14] (a) Schritt 1: Laden der Spule (b) Schritt 2: Laden des Kondensators Abbildung 2.11: Funktion des Step-Down-Wandler [14] Uout = Uin · Ton Ton + Tof f (2.7) 2.2.3 Dimensionierung und Effizienz Für die Dimensionierung muss der maximale Ausgangsstrom gewählt werden. Der Strom der Spule hat durch das periodische Laden und Entladen eine Dreiecksform (Abbildung 2.12). Der Ausgangsstrom entspricht dem Mittelwert dieser Kurve. Wird die Spule während eines Schaltzyklus komplett ge- und entladen ist ersichtlich, dass die Komponenten mindestens für den doppelten Strom ausgelegt werden müssen. Zusätzlich müssen gewisse Reserven eingeplant werden. Im Einschaltmoment wird der Kondensator mit einem höheren Strom geladen um schnell auf die erforderliche Spannung zu gelangen. Dadurch ist der Strom kurzzeitig über dem doppelten Ausgangsmittelwert. Diese Aussagen gelten für den Fall, dass die Spule in einem Zyklus komplett ge- und entladen wird. Wenn die Induktivität vergrößert wird oder der Regler eine höhere Schaltfrequenz nutzt, sinkt der Spitzenspitzenstrom durch die Spule und damit auch der maximale Strom. Allerdings hat eine höhere Induktivität auch mehr Windungen und damit einen höheren Innenwiderstand zur Folge. Durch die größere Induktivität kann der Regler eben- 14 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK falls nur langsamer auf Laständerungen reagieren. Auch die Abmaße steigen. Es muss also bei der Dimensionierung zwischen der Spulengröße, des Spitzenspitzenstroms und des Spulenwiderstandes abgewägt werden. Die anderen Komponenten müssen ebenfalls für diesen maximalen Strom ausgewählt werden. Abbildung 2.12: Strom des Step-Up-Wandler [14] Die Effizienz eines Systems berechnet sich allgemein nach Gleichung (2.8). η= Pab Pzu (2.8) Pzu sei die zugeführte Leistung der Quelle und Pab die von dem Verbraucher entnommene Leistung. Werden die Verluste des Wandlers betrachtet, kann zu Gleichung (2.9) umgeformt werden. Pab (2.9) η= Pab + Pverlust Also ist der Wandler effizienter, wenn die Verluste verringert werden. Der größte Teil der Verluste setzt sich aus folgenden Anteilen zusammen: • Spulenverluste durch Stromfluss • Verluste des Halbleiterschalters • Verluste durch die Diode • Verbrauch des Reglers Somit lässt sich die Effizienz steigern, wenn die Verluste der Spule verringert werden. Durch eine Spule mit geringem Innenwiderstand oder einer höheren Schaltfrequenz, und damit geringerem Spitzenspitzenstrom, wird dies erreicht. Der Halbleiterschalter – meist ein MOSFET – hat im leitenden Zustand einen gewissen Widerstand, durch den Verluste auftreten. Auch die 15 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK Gate-Kapazität muss mit der Schaltfrequenz umgeladen werden. Hier sollte ein MOSFET mit geringem Innenwiderstand und kleiner Gate-Kapazität gewählt werden. Die Verluste der Diode lassen sich nicht einfach verringern. Durch die konstante Vorwärtsspannung ist dies aber bei hohen Strömen wichtig. Wenn hier ebenfalls ein MOSFET genutzt wird, kann ein Großteil der Verluste eingespart werden, was jedoch eine Ansteuerschaltung erfordert. Der Verbrauch des Reglers-IC’s selber kann als konstant angenommen werden und ist nur durch die Wahl eines anderen IC’s veränderbar. 2.3 Energiespeicher Es existieren mehrere Möglichkeiten elektrische Energie zu speichern, um sie zu einem späteren Zeitpunkt abzurufen. Die Speicherung für elektrische Energie kann in einer chemischen Verbindung, durch ein elektrisches Feld oder ein induktives Feld erfolgen. [15] 2.3.1 Batterien Batterien nutzen chemische Verbindungen, um ihre Energie zu speichern. Unterschieden wird zwischen Primär- und Sekundärbatterien. Primärbatterien wandeln elektrische Energie aus einer nicht wieder rückgängig machbaren chemischen Reaktion. Somit können diese nicht wieder aufgeladen werden. Bei Sekundärbatterien kann die Reaktion allerdings wieder rückgängig gemacht werden, womit sie wiederaufladbar sind [15]. Um ein System über einen längeren Zeitraum mit Energie zu versorgen, müssen Primärbatterien groß dimensioniert werden, da sie über die komplette Lebensdauer mit einer Ladung auskommen müssen. Sekundärbatterien können zwar geladen werden, haben allerdings je nach Technologie eine Lebensdauer von 300 bis 800 Ladezyklen (Tabelle 2.1). Beim täglichen Aufladen hat solch eine Batterie nach 1 bis 2 Jahren seine Lebensdauer erreicht. Eine weitere wichtige Kenngröße der Batteriesysteme ist die Ausgangsleistung. Soll ein Verbraucher mit großer Leistungsaufnahme direkt mit einer Batterie versorgt werden, so muss diese genügend Leistung abgeben können. Bis zu einem gewissen Punkt kann die Ausgangsleistung der Batterie durch einen Kondensator gepuffert werden. Die Ausgangsleistung verschiedener Batteriesysteme ist in Abbildung 2.13 dargestellt. 16 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK Tabelle 2.1: Kenndaten von Primär- und Sekundärbatteriesystemen [3] Abbildung 2.13: Ausgangsleistung verschiedener Primär- und Sekundärbatterien im Vergleich [3] 17 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK 2.3.2 Doppelschichtkondensator Ein Doppelschichtkondensator (auch Power Cap, Gold Cap oder Super Cap, kurz DSK) ist ein Kondensator, der im Gegensatz zu einem normalen Kondensator durch seinen inneren Aufbau bei kleinen Abmessungen eine Kapazität von mehreren Farad erreichen kann. In Abbildung 2.14 sind beide Konstruktionen der Kondensatoren gegenübergestellt. Die gelbe Fläche stellt das Dielektrikum dar, während die graue Markierung die Elektroden und die blaue den Elektrolyt abbildet. Während ein normaler Kondensator zwischen seinen Elektroden nur ein Dielektrikum hat, befindet sich zwischen dem des Doppelschichtkondensators noch ein zusätzlicher Elektrolyt. Ein weiterer Unterschied ist die verwendete Elektrode. Diese besteht aus Aktivkohle, welche eine sehr große Oberfläche hat. 1 g der Aktivkohle besitzt eine Fläche von 300 m2 − 2000 m2 . Die gesamte Kapazität setzt sich so aus der Doppelschicht-Kapazität und einer Pseudo-Kapazität zusammen. Die Doppelschicht-Kapazität entsteht durch den Elektrolyten, indem durch ein elektrischen Feld Elektronen frei werden und so das Feld verstärken. Durch den geringen Abstand der Elektronen zur Elektrode und die enorme Fläche ist diese Kapazität sehr hoch. Die Pseudo-Kapazität entsteht ebenfalls durch den Elektrolyten, allerdings durch eine chemische Reaktion. Die freien Elektronen, die durch das elektrische Feld gelöst werden, können auch in die Elektrode übergehen und so die Ladung erhöhen. Da dies eine chemische Reaktion ist, wird dies als Pseudo-Kapazität bezeichnet. Für eine genauere Erklärung kann die Literatur [15] empfohlen werden. (a) Aufbau eines klassischen Kondensators (b) Aufbau des Doppelschichtkondensators Abbildung 2.14: Vergleich zwischen dem Aufbau eines klassischen und eines Doppelschichtkondensators [15] 18 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK Trotz des abgewandelten Aufbaus ist der Doppelschichtkondensator ein Kondensator. Das elektrische Feld, in welchem die Energie gespeichert ist, kann sehr schnell abgebaut werden. Dadurch ist das Leistungvermögen sehr groß. In Tabelle 2.2 ist die Sekundärbatterie mit dem Doppelschichtkondensator gegenübergestellt. Wesentliche Vorteile des Kondensators sind seine hohe Lebensdauer, das unkomplizierte Laden und sein Leistungsvermögen. Im Gegensatz dazu hat die Sekundärbatterie eine geringere Selbstentladung und die Ausgangsspannung bleibt, unabhängig vom Ladezustand, nahezu konstant. Bei einem Kondensator ist die Spannung proportional zur Ladung. [15] Tabelle 2.2: Vergleich zwischen einem Doppelkondensator und einer Sekundärbatterie [3] 2.4 Ultra-Low-Power Unter Ultra-Low-Power versteht man den Betrieb von Komponenten bei sehr geringen Leistungen, hauptsächlich durch geringe Ströme im nA-Bereich. Herausforderung Um die Effizienz von Energy-Harvesting-Modulen zu erhöhen, müssen die Verluste zum Einen bei der Wandlung, zum Anderen im statischen Fall – also ohne Wandlung – verringert werden. Die Herausforderung besteht nun darin, Komponenten wie Halbleiterschalter und IC’s so zu wählen, dass im statischen Fall möglichst wenig Energie nötig ist. Gerade ein MOSFET weist hier sehr hohe Schwankungen zwischen verschiedenen Herstellern, Serien und Modellen auf. Im statischen Fall spielt hier der Verluststrom zwischen Source und Drain und zwischen Gate und Source/Drain eine hervorgehobene Rolle. Stromsparende MOSFET’s erreichen heutzutage statische Ströme von 50 nA [16]. 19 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK 2.5 Wandler-Modul Ein Wandler-Modul ist zunächst ein DC/DC-Wandler der die Spannung bzw. Leistung eines Energy Harvester aufbereitet und in einem Energiespeicher speichert. Dieser ist auf bestimmte Spannungen und Leistungen ausgelegt. Meist ist der Halbleiterschalter, in Form eines MOSFET’s, schon im selben Gehäuse integriert. Im Datenblatt werden auch Empfehlungen für geeignete Spulen mitgegeben. Außerdem ist zusätzlich Steuerelektronik wie Overvoltage-/ Undervoltage-Protektion (Über- /Unterspannungsschutz) oder ein Komparator für die Spannungsüberwachung integriert. So kann ein Wandler auf geringem Platz aufgebaut werden. Anforderungen Die Anforderungen an ein Wandler-Modul sind vielfältig. Je nach Anwendung können mehrere Punkte gefordert sein: • Energiesparend: Falls nur wenig Energie zur Verfügung steht und diese auch nur sporadisch zu sammeln ist, muss das Wandler-Modul stromsparend sein, um nicht die meiste Energie für sich selbst zu benötigen. • Ef f izient: Bei geringen Energiemengen, die Energy Harvester liefert, muss die Wandlung der Energie so effizient wie möglich erfolgen, um diese in der nachfolgende Schaltung zu nutzen. • P assender Spannungsbereich: Energy Harvester haben eine große Bandbreite an Spannungsbereichen. Die Ausgangsspannung vom Thermowandler beispielsweise ist proportional zur Wärmedifferenz (siehe Kapitel 2.1.1). Somit können bei geringen Temperaturdifferenzen Spannungen von ca. 100 mV auftreten. Dahingegen können Solarzellen oder Piezowandler Spannungen von über 100 V erreichen. • P assender Strombereich: Je nach Leistung muss auch der Strombereich zum gewählten Harvester passen. • Benötigte Schutzschaltungen: Moderne Wandler-Module bieten eine Reihe von Schutzschaltungen, die bereits integriert sein können. Beispielsweise Unter- und Überspannungsschutz oder ESD-Schutz. 20 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK • P latzbedarf : Generell kann man davon ausgehen, dass die Größe eines Wandler-Moduls mit der Leistung steigt. Wenn beispielsweise passive Bauelemente bereits in einem IC integriert werden, kann auch hier Platz eingespart werden. • Lebensdauer: Auch die Lebensdauer ist ein wichtiger Faktor für Wandler-Module und dessen Teilkomponenten. • M aximum P ower P oint T racker: Näheres dazu in Kapitel 2.6. 2.6 Maximum Power Point Der Maximum Power Point (MPP) ist der Punkt einer Betriebskennlinie, bei der die größte Leistung einer Energiequelle übertragen wird. Energy Harvester haben einen hohen Innenwiderstand, wodurch sie weit von einer idealen Spannungsquelle entfernt sind. Wird nun ein Strom durch eine Last aus der Quelle entnommen, sinkt die Spannung der Spannungsquelle durch den internen Spannungsabfall. Charakterisiert sind Spannungsquellen im Allgemeinen durch ihre Leerlaufspannung, ihren Kurzschlussstrom und ihre maximale Leistung. Für die elektrische Leistung P gilt Gleichung (2.10). P =U ·I (2.10) Bei der Leerlaufspannung und dem Kurzschlussstrom wird somit keine Leistung nach außen abgegeben, da entweder der Strom oder die Spannung gleich Null ist. Wird nun die Quelle mit einer sich veränderten Last belastet, ergibt sich beispielhaft ein Diagramm nach Abbildung 2.15. Zu erkennen ist, dass an einem bestimmten Punkt der Kennlinie die Leistung am höchsten ist. Für verschiedene Energy Harvester gibt es typische Werte, die einen Faktor der Leerlaufspannung darstellen. In der Abbildung 2.15 liegt der MPP bei 65% der Leerlaufspannung. Auch wenn dieser Wert bei Solarzellen von der Stärke des einfallenden Lichts abhängt, liegt er doch nie weit davon entfernt. Andere Energy Harvester besitzen andere Faktoren für den MPP. Durch einen sogenannten Maximum Power Point Tracker (MPPT) in einem Wandler-Modul kann gezielt dieser Leistungspunkt gewählt werden und somit die Ausbeute eines Harvesters gesteigert werden. Es gibt viele Möglichkeiten den MPP zu finden bzw. den MPPT zu implementieren. Ein echter MPPT überwacht die abgegebene Leistung eines Harvesters und variiert leicht mit der Leistung. So kann der MPP nachgeregelt werden. Eine kostengünstige und einfach zu realisierende Möglichkeit zum erreichen des MPP’s kann durch belasten des Harvesters bis dessen Spannung auf einen bestimmten Faktor der Leerlaufspannung gesunken ist (beim 21 KAPITEL 2. STAND DER TECHNIK Beispiel der Solarzelle aus Abbildung 2.15 liegt dieser Faktor bei 65%). Dieser Faktor ist also der Quotient aus zu erreichender Spannung und der Leerlaufspannung. Allerdings wird hier der MPP nicht nachgeregelt. ·10−4 I [A] ·10−4 I P 3 P [W ] 6 MP P 2 4 1 2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 U [V ] Abbildung 2.15: Beispielhafte Betriebskennlinie einer Solarzelle Um solch einen Faktor F zu erreichen kann ein Spannungsteiler genutzt werden. Die Ausgangsspannung U2 eines unbelasteten Spannungsteilers nach Abbildung 2.16 berechnet sich nach der Gleichung (2.11). Stellt man dies nach R1 um, erhält man Gleichung (2.12). Für das Beispiel der Solarzelle aus Abbildung 2.15 mit F = 65% muss R1 = 0, 53846 · R2 sein. Um den Energy Harvester nicht zu belasten sollte die Summe der beiden Widerstände hochohmig sein. Ein Wert von Rges = 20 M Ω wird für das Energieversorgungs-Modul genutzt. F = R2 U2 = Uges R1 + R2 R1 = R2 · 1−F F (2.12) R1 Uges R2 U2 Abbildung 2.16: Unbelasteter Spannungsteiler 22 (2.11) 3 Systementwurf und Komponentenwahl In diesem Kapitel wird zunächst auf die Entwicklung des Systementwurfs eingegangen, unter der Berücksichtigung der Vorgaben. Danach werden alle Komponenten, die für das EnergieversorgungsModul nötig sind, ausgewählt. 3.1 Konzept Das Konzept wird wie folgt aufgebaut und ist im Blockschaltbild in Abbildung 3.1 verdeutlicht. Wie bereits in Kapitel 1.2 erklärt, wurden drei verschiedene Energy Harvester gleichzeitig genutzt, um Energie zu sammeln. Jeder der Harvester versorgt ein eigenes Wandler-Modul, damit jeder einen eigenen MPPT durch den Wandler-IC erhält. Um die Energie zu speichern, arbeiten alle drei Wandler auf einen Energiespeicher (Doppelschichtkondensator) zu. Dieser versorgt den Sensorknoten mit Energie. Um die Anforderung einer sicheren und zuverlässigen Messwerterfassung zu erfüllen wurde zusätzlich zu diesem Aufbau eine Primärbatterie mit hoher Lebensdauer und geringer Größe mit eingesetzt. Dadurch können auch sicherheitskritische Anwendungen besser wahrgenommen werden. Diese Batterie ist lediglich dazu da, um den geringen Stand-By-Energiebedarf des Sensorknotens decken zu können, falls nicht genügend Energie durch die Harvester gesammelt werden konnte. Die Batteriespannung wird deshalb zusätzlich direkt dem Sensorknoten übergeben. Der Kondensator versorgt allerdings weiterhin das leistungshungrige Funkmodul. Moderne Wandler-IC’s bieten neben dem Unter- und Überspannungsschutz sowie dem MPPT auch einen frei einstellbaren Komparator. Dieser Komparator vergleicht die Spannung des Speichers mit einem eingestellten Wert. Durch die Schaltschwelle kann so auf die im Speicher gespeicherte Energie zurück geschlossen werden. In jedem Wandler ist ein Komparator integriert. Womit insgesamt drei Komparatoren auf dem Energieversorgungs-Modul zur Verfügung stehen. 23 KAPITEL 3. SYSTEMENTWURF UND KOMPONENTENWAHL Licht W ärme Solarzelle Thermogenerator V ibration Vibrationswandler DC-DC Switch Switch DC-DC Power-Cap PowerGood DC-DC LoadSwitch Sensorknoten Switch P-MOS Batterie physikalische Größe Sensorknoten elektrische Größe Abbildung 3.1: Blockschaltbild des dreifachen Harvesting Moduls mit Energy Harvester Zwei davon werden genutzt, um dem Funkmodul mitzuteilen, ob genügend Energie für den Sendevorgang gespeichert ist und um vom Kondensator- auf Batteriebetrieb umzuschalten. Zum Umschalten zwischen Kondensator- und Batteriebetrieb werden zwei Halbleiterschalter genutzt. Diese werden „High-Side“, also im Versorgungszweig, platziert. Durch das umschalten mit einem einzigen Signal des Komparators muss einer Low- und der andere High-Aktiv sein. 3.2 Auswahl der Komponenten Zur Auswahl der Komponenten wurden mehrere Hersteller und Modelle der Komponenten miteinander verglichen. Als Ziel für die Größe des Demonstrationsmusters wird ein Würfel mit der Kantenlänge 40 mm x 40 mm x 40 mm angestrebt. Darin sollen alle Harvester, Energiespeicher und Platinen platziert werden. Deshalb werden Harvester mit deutlich höheren Größen aussortiert. 24 KAPITEL 3. SYSTEMENTWURF UND KOMPONENTENWAHL 3.2.1 Solarzelle Um auch unter Raumbeleuchtung (ca. 200 lux) zu funktionieren, wurden Indoor-Solarzellen für den Einsatz gewählt. In Tabelle 3.1 sind alle Solarzellen aufgeführt, die geeignet sind und verglichen wurden. Hellgrüne Felder zeigen geeignete Werte bis 3, 5 V für die Spannung an. Bis zu dieser Spannung arbeitet das unter Kapitel 3.2.4 gewählte Wandler-Modul. Um die Solarzellen besser vergleichen zu können, wurde ein Vergleichsparameter geschaffen. Es wird die Leistung pro Fläche berechnet. Farbig markierte Felder haben einen hohen Wert von mindestens 40 nW/mm2 . Zwei Solarzellen eines chinesischen Herstellers schaffen laut Datenblatt einen Wert von 57 nW/mm2 und 67 nW/mm2 . Dies konnte leider nicht überprüft werden, da diese Solarzellen in Deutschland nicht erhältlich sind. Dies trifft auch für die Solarzellen der Firma CYMBET zu, die ebenfalls einen hohen Wert aufweisen. Gewählt wurde die Solarzelle „AM1815CA“ der Firma SANYO (grün markiert). Diese bietet bei einer Größe von 58, 1 mm x 48, 6 mm im MPP eine Spannung von 3 V und den Strom von 42 µA. 3.2.2 Thermogenerator Bei den Thermogeneratoren wurden die Firmen Thermalforce, uweelectronic und micropelt verglichen. Thermalforce überzeugte durch seine ausführlichen Datenblätter, die neben den Maßen und der Thermokraft auch Wärmeleitwerte der verwendeten Materialien, den MPP und verschiedene Formeln und Empfehlungen zur Verwendung geboten haben. Gewählt wurde der „TEG 083-230-07“, da dieser eine sehr geringen Wärmeleitwert von 50 mW/K bietet. Trotzdem bietet der Thermogenerator mit der Thermokraft von 30 mV /K, die durch 83 Thermopaare erreicht werden, einen hoher Wert. Laut Hersteller soll so die Kühlung auch passiv erfolgen können. Mit den Maßen 21 mm x 18 mm können auf der Fläche des Demonstrationsmusters insgesamt vier Stück genutzt werden. Diese werden thermisch Parallel und elektrisch in Reihe geschaltet, um eine höhere Thermospannung zu erhalten. Passend zum Thermogenerator wird noch der Kühlkörper des Herstellers CTS mit der Bezeichnung „APF40-40-13CB“ gewählt. Dieser zeichnet sich besonders durch seinen geringen thermischen Widerstand, trotz des minimalen Volumens aus. Die vier Thermogeneratoren wurden mit dem Wärmeleitkleber „Arctic Silver Thermal Adhesive“ auf den Kühlkörper aufgeklebt. Hierbei wurde auf eine minimale Schichtdicke des Klebers geachtet um Wärmeleitwiderstände zu minimieren. 25 KAPITEL 3. SYSTEMENTWURF UND KOMPONENTENWAHL Hersteller Tabelle 3.1: Vergleich von Indoor-Solarzellen bei 200 lux Bezeichnung SOLEMS CYMBET CBC-PV-01 CBC-PV-02 EnOcean ECS 300 ECS 310 CHINA SOLAR KS-2510 KS-3012 KS-3813 KS-3513 KS-3514 KS-3726 KS-3722 China Blue Solar BS-04 BS-05 BS-06 BS-07 BS-17 BS-18 BS-23 BS-24 BS-34 SANYO AM-1417CA AM-1454CA AM-1819CA AM-1801CA AM-1815CA AM-1456CA 26 U [V ] A [µA] Leistung [µW ] B [mm] L [mm] V ergleichsparameter [nW/mm2 ] 1,2 1,2 1,2 2 2 2 2 2,8 2,8 0,8 0,8 3 3 1,5 1,5 1,5 3 1,5 3 3,5 1,5 3 3 3 4,5 4 4,3 4 3,5 1,5 1,5 3 3 3 1,5 4 17 40 7 6 11 24 4 8 201 110 4,5 11 5 7 9,5 4,5 10 8 7 5 12,5 7,9 10,8 60 29 10,2 15,8 17,5 12,5 31 6,9 18,5 42 5,3 4,8 20,4 48 14 12 22 48 11,2 22,4 160,8 176 13,5 33 7,5 10,5 14,25 13,5 15 24 24,5 7,5 37,5 23,7 32,4 270 116 43,86 126,4 61,25 18,75 93 20,7 111 126 7,95 17 48 48 35 40 48 48 40 36 58,1 67,3 35 50 24,8 29,6 37,8 35 34,7 37 37 25 40 20 20 53 50 37 55 44,5 35 41,6 31 53 58,1 25 13 16 32 13 9 16 32 9 24 56,7 26,7 12,8 20 9,7 11,8 12,4 12,8 13,6 21,8 21,8 10 45 50 55 75 47 33 20 39,5 13,9 26,3 24 25 48,6 10 21,71945701 26,5625 31,25 30,76923077 33,33333333 28,64583333 31,25 31,11111111 25,92592593 48,81202816 48,97295914 30,13392857 33 31,17725308 30,0618415 30,40194572 30,13392857 31,78504831 29,75452517 30,37441111 30 20,83333333 23,7 29,45454545 67,9245283 49,36170213 35,92137592 57,45454545 34,8456834 38,54059609 42,50146242 27,82258065 41,88679245 44,62293619 31,8 KAPITEL 3. SYSTEMENTWURF UND KOMPONENTENWAHL 3.2.3 Vibrationswandler Da sich die Spannungen von Vibrationswandlern mit Piezotechnik, wie in Kapitel 2.1.3 erklärt, sehr von denen der anderen gewählten Harvester unterscheidet, soll ein Vibrationswandler mit Induktionstechnik genutzt werden. Leider wurde nur ein Hersteller mit einem passenden Modell gefunden. Dieser sperrte sein Produkt für Projekte ohne das zugehörige Funkmodul des Herstellers. Einer Anfrage auf eine Ausnahmeregelung wurde bis heute nicht geantwortet. Deshalb wurde kurzer Hand für das Demonstrationsmuster ein eigener Vibrationswandler nach Abbildung 3.2 entwickelt. Abbildung 3.2: Aufbau des eigenen Vibrationswandlers Der Vibrationswandler soll möglichst einfach gehalten und schnell zu bauen sein. Um Reibung zu vermeiden wird das Gehäuse aus Teflon hergestellt. Es besteht aus zwei Teilen: Einer Wanne und einem Deckel. Beide Teile wurden nach einer technischen Zeichnung angefertigt. In das Gehäuse wird ein starker Neodym Magnet des Herstellers magnets4you eingesetzt. Im Gegensatz zu Standard-Magneten ist dieser auf der Stirnseite magnetisiert (Abbildung 3.3(a)). Nach dem Zusammenschrauben wird eine Spule aus Kupferlackdraht um das Gehäuse gewickelt. Es sind mehrere Anläufe erforderlich, um den Draht mit der richtigen Zugspannung zu wickeln. Ein Funktionstest zeigte gerade einmal eine Spannung von wenigen Millivolt, beim Schütteln von Hand. Die magnetische Flussänderung musste demnach erhöht werden. Durch mehr Windungen und eine verkürzte Spule wird dies erreicht. Der Magnet ist nun genauso breit wie die Spule und bewegt sich auf beiden Seiten der Spule komplett aus dieser heraus. Circa 200 Windungen mit einem 0, 5 mm dicken Kupferlackdraht werden aufgetragen, um Spannungen um 1 V zu erhalten. Der fertige Vibrationswandler ist in Abbildung 3.3(b) zu sehen und hat die Maße von 40 mm x 15 mm x 15 mm. 27 KAPITEL 3. SYSTEMENTWURF UND KOMPONENTENWAHL (a) Magnetisierung des Neodym-Magneten[17] (b) Fertiger Vibrationswandler Abbildung 3.3: Neodym-Magnet[17] und fertiger Vibrationswandler 3.2.4 Wandler-Modul Beim Wandler-Modul werden wieder verschiedene Hersteller und Modelle verglichen. Drei Modelle eignen sich durch ihren Ein- und Ausgangsspannungsbereich, ihre Größe, Effizienz und ihren Verbrauch ganz besonders. Diese sind in Tabelle 3.2 dargestellt. Der „bq25570“ von Texas Instruments bietet zusätzlich einen Step-Down Wandler, mit dem eine konstante Ausgangsspannung erzeugt werden kann. Dies äußert sich aber in einem erhöhten Verbrauch. Da ein integrierter Step-Down nicht notwendig ist, wird dieses Model nicht genutzt. Die anderen beiden Modelle, der „ADP5090“ von Analog Devices und der „bq25504“ von TI, eignen sich hervorragend für die Verwendung im miniaturisierten Energieversorgungs-Modul. Deshalb werden beide auf dem Evaluation-Board getestet. Tabelle 3.2: Verlgeich der Harvesting Module mittels Datenblattangaben [18][19][20] Hersteller Bezeichnung Gehäuse Ef f izienz [%] V erbrauch [nA] Analog Devices TI ADP5090 BQ25570 BQ25504 3x3 LFCSP 3,5x3,5 VQFN 3x3 QFN 80 93 90 320 488 330 28 Eingangsspannung [V ] Ausgangsspannung [V ] Umin Umax Umin Umax 0,1 (0,38 Start Up) 0,1 (0,33 Start Up) 0,08 (0,33 Start Up) 3,3 5,1 3 2,2 2 2,5 5,2 5,5 5,25 Strom [mA] Schaltf requenz [kHz] 100 110 110 1000 1000 KAPITEL 3. SYSTEMENTWURF UND KOMPONENTENWAHL Berechnen der Komparator-Schwellwertspannung Beide Wandler-Module bieten frei einstellbare Komparatoren nach Kapitel 3.1. Das Schaltniveau der beiden Komparatoren kann bei Verwendung eines Kondensators als Energiespeicher folgendermaßen ermittelt werden: Wird ein Kondensator genutzt ist die Spannung proportional zur Ladung. Die gespeicherte Energie errechnet sich nun nach Gleichung (3.1). E= 1 · U2 · C 2 (3.1) Wird nun für das System eine minimale Spannung Umin definiert, bei der auf Batteriebetrieb gewechselt wird, so ist dies direkt die Spannung für den Komparator zum Umschalten. Unterhalb dieser Spannungsgrenze wird die Energie des Kondensators nicht mehr genutzt. Diese Energie sei Everbleibend . Die nötige Energie für den Sendevorgang im Kondensator ist also die Summe aus der Energie, die für das Senden nötig ist (Esenden ) und Everbleibend . Damit ergibt sich Gleichung (3.2). Enötig = Everbleibend + Esenden = 1 · U2 · C 2 nötig (3.2) Durch umstellen folgt schließlich für die nötige Spannung Gleichung (3.3). Unötig = 1 2 · (Esenden + Everbleibend ) · = C s s 2 · (Esenden + 1 1 2 · Umin · C) · 2 C (3.3) Es wird definiert dass der Spannungsbereich für den Funksensorknoten zwischen 2, 8 V und 5, 0 V liegt. Deshalb wird für die Umschaltung von Kondensator auf Batteriebetrieb der Wert 2, 8 V gewählt. Der Unterspannungsschutz wird auf einen Wert unterhalb 2, 8 V gewählt und ist unkritisch. Der Überspannungsschutz wird auf 5, 0 V eingestellt. Bis zu diesem Wert ist der Doppelschichtkondensator ausgelegt. Das Signal für die Sendefreigabe wird auf eine Spannung von 3, 0 V eingestellt. Hierfür ist die benötigte Energie für den Sendevorgang erforderlich. Näheres dazu in Kapitel 5.4. 29 KAPITEL 3. SYSTEMENTWURF UND KOMPONENTENWAHL 3.2.5 Energiespeicher Es wurden zwei Energiespeicher gewählt. Der Erste muss mit einem Ausgangsstrom von ca. 50 mA hohe Strombelastungen bereitstellen können und gleichzeitig genug Energie für das Senden speichern. Der zweite Speicher wird zur zuverlässigen Versorgung des Funksensorknotens benötigt. Eine hohe Langlebigkeit ist hier gefordert. Beide Speicher müssen in den Dimensionen klein genug sein, um im Demonstrationsmuster platziert werden zu können. Batterie Als Batterie wurde eine Mangandioxid Lithium Knopfzelle „CR-1632“ von Panasonic ausgewählt. Diese zeichnet sich durch ihre hohe Energiedichte aus. Die Spannung von 3 V reicht aus, um den Funksensorknoten direkt zu betreiben. Für eine lange Lebensdauer von bis zu 20 Jahren sollte allerdings eine Lithium Thionylchlorid Knopfzelle eingesetzt werden. [21] Kondensator Als Energiespeicher für das Energieversorgungs-Modul und zur Versorgung des Funkmoduls muss kurzzeitig eine hohe Leistung abgegeben werden. Zusätzlich muss dieser eine hohe Lebensdauer bieten, damit mehrmals täglich ge- und entladen werden kann. Deshalb wurde ein Doppelschichtkondensator für diesen Zweck ausgewählt. Eine geringe Selbstentladung, hohe Kapazität und minimale Baugröße bietet die PHB Serie von PowerStor. Es wurde der „PHB5R0V155-R“ mit 1, 5 F , einer maximalen Spannung von 5, 5 V und den Maßen 8, 5 mm x 16, 8 mm x 21, 5 mm gewählt. [22] (a) Doppelschichtkondensator [22] (b) Lithium Knopfzelle [23] Abbildung 3.4: Ausgewählte Energiespeicher 30 KAPITEL 3. SYSTEMENTWURF UND KOMPONENTENWAHL 3.2.6 Spule Für die Wandler-Module wird die Spule „ASPI-0315FS-220M-T2“ von Abracon genutzt. Trotz der geringen Maße von 3, 0 mm x 3, 0 mm hat diese einen geringen Widerstand von 475 mΩ. Der Sättigungsstrom ist mit 550 mA ebenfalls ausreichend, um für das Energieversorgungs-Modul eingesetzt zu werden. [24] 3.2.7 Gleichrichter Für die Harvester Thermogenerator und Vibrationswandler ist zusätzlich ein Gleichrichter erforderlich. Dieser stellt sicher, dass die Wandler-Module keine negativen Spannungen erhalten, die zu einer Zerstörung führen könnten. Der Thermogenerator ist allerdings einen Sonderfall. Grundsätzlich liefert der Thermogenerator Gleichspannung. Jedoch nur in der richtigen Polarität wenn die definierte heiße- bzw. kalte Seite auch dementsprechende Temperaturen haben. Dies kann nicht Garantiert werden. Als Beispiel sei hier folgendes Szenario genannt: In einem klimatisierten Industriegebäude wird im Sommer das Tor geöffnet. Dadruch strömt heiße Luft an den Kühlkörper. Liegt nun die andere Seite des Thermogenerators auf einer Maschine die zu dem Zeitpunkt still steht – und somit keine Hitze abgibt – erzeugt der Thermogenerator eine Gleichspannung mit negativer Polarität. Dies kann das Wandler-Modul beschädigen. Es würde reichen eine Verpolungsschutzdiode parallel und in Sperrichtung zum Thermogenerator zu platzieren, aufgrund höherer Vielseitigkeit wird aber auch hier ein Gleichrichter genutzt. Gewählt wurde der Schottky-Gleichrichter „CBRHDSH1-40L“ der Firma Central Semiconductor. Dadurch soll ein geringer Spannungsabfall am Gleichrichter erreicht werden. Eine Diode des Gleichrichters soll bei einem Strom von 500 mA gerademal einen Spannungsabfall von 360 mV aufweisen. Da die tatsächlichen Ströme deutlich kleiner sind, wird der Spannungsabfall ebenfalls geringer ausfallen. [25] 3.2.8 Halbleiterschalter Für den High-Side Low-Aktiv Schalter wird ein P-MOSFET genutzt. Dieser erfüllt genau diese Bedingungen. Der Verlustärmste, der gefunden wurde, ist der „CSD23280F3“ von TI. Bei einem geringen Durchlasswiderstand von typischerweise 129 mΩ sollen weniger als 25 nA an Leckstrom am Gate auftreten. [16] 31 KAPITEL 3. SYSTEMENTWURF UND KOMPONENTENWAHL Für den High-Side High-Aktiv Schalter wurde zunächst überlegt, ob der gleiche MOSFET mit vorgeschaltetem Inverter Sinn macht. Die bessere Alternative bietet der „SiP32431“ von Vishay. Der sogenannte „Load-Switch“ vereint in einem kleinen IC einen High-Side P-MOS inklusive Inverter. Dabei hat der Load-Switch sogar einen geringeren Leckstrom als der „CSD23280F3“. [26] 3.2.9 Schnittstelle zum Funkmodul Schließlich muss nur noch die Schnittstelle zum Funksensorknoten definiert werden. Um flexibel und trotzdem klein zu bleiben, wird eine sechs-polige Stiftleiste im 1, 27 mm Raster genutzt. So können die Module steckbar gemacht werden. Ist die Steckverbindung nicht nötig, kann durch die Lötkontakte eine direkte Verbindung der Platinen hergestellt werden. Zu sehen ist die Schnittstelle in Abbildung 3.5. Die sechs Pole sind wie folgt aufgeteilt: Pin 1 V CC, Versorgung mit dem Kondensator/ der Batterie: Wenn der Kondensator über Umin aufgeladen ist, wird die Kondensatorspannung auf den Pin gelegt, andernfalls die Batterie. Die Spannung an diesem Pin liegt bei Kondensatorversorgung im Bereich von 2, 8 und 5, 0 V und bei Batteriebetrieb ca. bei 3, 0 V . Pin 2 VBAT ,Versorgung direkt mit der Batterie: Stromsparende Teilsysteme wie Real-TimeClock (RTC) können hier sicher und dauerhaft mit Energie versorgt werden. Dieser Pin hat immer die Spannung der Batterie von ca. 3, 0 V . Pin 3 Switch, Signal für den Kondensator/ Batterie Betrieb: Hier wird der Komparator ausgegeben, der signalisiert ob der Kondensator oder die Batterie mit Pin 1 verbunden sind. Bei einem High-Signal liegt hier die Spannung des Kondensators an. Pin 4 P owerGood, Sendefreigabe für das Funkmodul: Hier wird der Komparatorausgang ausgegeben, der anzeigt ob genügend Energie für den Sendevorgang zur Verfügung steht. Auch hier liegt bei einem High-Signal die Spannung des Kondensators an. Pin 5 Ground: Ein Ground Pin kann genutzt werden, um von der Batterie -Masse direkt eine Verbindung zu ermöglichen. Dadurch kann eine Trennung der zwei Massen erfolgen. Im miniaturisierten Funkmodul wird dies nicht genutzt. Beide Ground Pins werden gebrückt. Pin 6 Ground: Gebrückt mit Pin 5. 32 KAPITEL 3. SYSTEMENTWURF UND KOMPONENTENWAHL Abbildung 3.5: 6-polige Schnittstelle 33 4 Entwicklung eines Evaluation-Boards Um alle Komponenten testen und messen zu können, wurde zunächst ein Evaluation-Board entwickelt. Dieses bietet genug Messpunkte, um alle Ströme und Spannungen messen zu können. Spannungen können durch einpolige Stifte gemessen werden. Um jedes Schaltungsteil voneinander trennen zu können, werden zweipolige Stiftleisten an verschiedenen Punkten angebracht. Durch einen Jumper können diese aufgetrennt oder verbunden werden. An diesen Punkten ist zudem auch das Messen des Stromes möglich. 4.1 Erstellung des Schaltplan und des Platinendesigns Der Schaltplan des Evaluation-Boards setzt sich aus mehreren Teilen zusammen. Es ist auf drei Seiten verteilt. Die beiden gewählten Wandler-Module aus Kapitel 3.2.4 sind jeweils auf einer eigenen Seite aufgebaut. Hier sind auch alle passiven Bauelemente platziert. Die restlichen Komponenten werden auf der Hauptseite zusammengefasst (Anhang A.1). Für die Versorgung sind jeweils zweipolige Stiftleisten angebracht. Hier kann ein Harvester oder eine Spannungsquelle angeschlossen werden. Anschließend kommt der Gleichrichter, der durch einen Jumper umgangen werden kann. Gleichzeitig können diese Jumper zur Strommessung der Versorgung genutzt werden. Dieser Versorgungszweig ist zweimal für jedes Wandler-Modul implementiert und führt direkt zu diesen. Die Wandler-Module werden gemäß der Datenblätter beschaltet und eingestellt. Mittels Widerstandsnetzwerke kann die Einstellung für die Über- und Unterspannung, den Komparator und den MPPT gewählt werden. Da die nötigen Spannungen des Funkmoduls zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Schaltplanes noch nicht bekannt waren, werden für das Evaluationsboard die eingestellten Spannungen willkürlich gewählt. Diese sind in Tabelle 4.1 im Kapitel 4.2.1 aufgeführt. Der ADP5090 hat eine interne Umschaltung für eine Batterie. Diese kann nicht genutzt werden, da sie nicht einstellbar ist. Der Schaltplan wird mit dem Tool OrCAD Capture gezeichnet. Jedem Bauteil wird schließlich ein Footprint zugewiesen. 35 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS Nachdem der Schaltplan fertig ist, wird dieser in eine Netztliste übersetzt. Anhand dessen kann die Platine erstellt werden. Das Platinendesign wird mit der Software Allegro von Cadence erstellt. Die Bauteile werden großzügig auf einer Platine im Eurokartenformat von 100 mm x 160 mm verteilt. So ist ausreichend Platz für alle Bauteile inklusive aller Test- und Messpunkte. Verwendet wird eine 2-lagen Platine mit dem Basismaterial FR4. Nachdem alle Bauteile platziert und die Leiterbahnen gelegt sind, wird die Platine in Gerberdaten exportiert. In diesen Dateien befindet sich eine Beschreibung jeder Platinenlage. Mittels dieser Dateien wird die Platine extern angefertigt. Bestellt werden vier Platinen, die mit grünem Lötstopplack versiegelt sind (Standart). Die freiliegenden Lötpads werden ebenfalls standardmäßig heißluft-verzinnt. Das Platinendesign ist in Abbildung 4.1 dargestellt. Abbildung 4.1: Evaluation-Board Design Als Nächstes wurde die Platine bestückt und gelötet. Davor wurde allerdings die Platine unter einem Mikroskop auf Produktionsfehler untersucht. Besonders die Pads des MOSFET’s, welche Maße von gerade einmal 0, 25 mm x 0, 15 mm haben, sind kritisch. Nach dem händischen Auftragen der Lötpaste wurden alle SMD-Bauteile von Hand unter Zuhilfenahme eines Vakuumgreifers bestückt. Unter dem Mikroskop wurde nun nochmals die korrekte Lage aller Komponenten überprüft. Danch wurde die Platine in einem Reflow-Ofen gelötet, welcher eine Temperaturkennlinie, die für die Bauteile und Lötpaste geeignet ist, abfährt. Das Ergebnis ist in Abbildung 4.2 und 4.3(a) zu sehen. Auch wenn die Widerstände leicht verdreht sind, wurde kein Fehler gefunden. Für die Fertigstellung müssen letztlich noch die Messpunkte und die Jumper von Hand gelötet werden. Die fertige Platine ist schließlich in Abbildung 4.3(b) zu sehen. 36 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS (a) Nahaufnahme des gesamten bq25504 Wandler-Moduls auf dem Evaluation-Board nach dem Löten (b) Seitliche Nahaufnahme des bq25504 nach dem Löten Abbildung 4.2: Nahaufnahmen des Evaluation-Boards nach dem Löten (a) Nach dem Reflow-Löten (b) Fertiges Evaluation-Board Abbildung 4.3: Gesamtansicht des Evaluation-Board 4.2 Vermessen der Komponenten Mittels des Evaluation-Boards sollen alle Komponenten vermessen und auf ihre richtige Funktion überprüft werden. Für die Messungen wurde hauptsächlich das Precision Source/Measure Unit B2902A (PSMU) von Keysight verwendet. Dieses hat zwei Ausgänge, womit die Spannung sowie auch der Strom eingestellt und gleichzeitig gemessen werden können. Es ist auch möglich die Spannungsverläufe auszugeben und dabei zu messen. Als Multimeter wurde das Keysight U1247B verwendet. 37 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS 4.2.1 Wandler-Modul Zunächst wurde der Ausgang der PSMU auf 3 V eingestellt und die Strombegrenzung auf 1 mA eingestellt. Bei gebrücktem Gleichrichter wurde diese Spannung auf den Eingang gegeben. So soll die erste Funktion der Wandler-Module geprüft werden. Diese fangen direkt mit dem Wandeln an. Um die Effizienz zu messen wurde am Ausgang des Wandlers nach Abbildung 4.4 aufgebaut. UW andler sei der Ausgang des Wandlers und USource der Ausgang des PSMU. USource wurde auf 3, 4 V eingestellt. Der Eingang des Wandlers wurde wie nach den Diagrammen in Abbildung 4.5 und fig:effizienz hm spannung beschrieben eingestellt. Der Strom und die Spannung beider PSMU-Kanäle wurden aufgenommen. Die Leistung am Eingang ergibt sich nun aus dem Produkt der Eingangsspannung und des Stromes. Die Leistung des Ausgangs ergibt sich wie folgt: Die Spannung beträgt konstant 3, 4 V und wird von der PSMU gehalten. So ergibt sich der Strom durch den Widerstand nach dem Ohm’schen Gesetz zu IR = 340 µA. Der Strom des Wandlers kann somit als Differenz zwischen dem Strom des Widerstandes und der Quelle dargestellt werden. Die Ausgangsleistung ergibt sich nun nach Gleichung (4.1). PW andler = iW andler · UW andler = (IR − iSource ) · 3, 4 V = (340 µA − iSource ) · 3, 4 V (4.1) Die Effizienz ist nun wieder der Quotient aus abgegebener Leistung PW andler und der zugeführten Leistung PQuelle . So wurden die Effizienzen nach Abbildung 4.5 und 4.6 für beide Wandler aufgenommen. iW andler iSource iR UW andler RLast =10 kΩ USource Abbildung 4.4: Aufbau Effizienzmessung der DC-DC-Wandler mit Lastwiderstand Der ADP5090 konnte durch den eingestellten MPPT von 50 % nicht im gesamten Spannungsbereich gemessen werden. Deshalb ist in Abbildung 4.6 nicht der gesamte Bereich für den ADP5090 dargestellt. Der bq25504 ist effizienter bei der Wandlung und bietet konstante Werte. Der ADP5090 schwankt sehr in der Effizienz. Reproduzierbare Ergebnisse wurden durch erhöhten Aufwand gewonnen. Die Effizienz und Konstanz dieser spricht für die Wahl des bq25504 für das miniaturisierte Modul. 38 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS 90% 80% 70% ADP5090 bq25504 60% 10−4 10−3 Eingangsstrom [A] (log) 10−2 Abbildung 4.5: Effizienz der HM bei konstanter Eingangsspannung von 1, 5 V und variiertem Strom 80% 60% 40% ADP5090 bq25504 20% 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Eingangsspannung [V ] 2 2.2 2.4 Abbildung 4.6: Effizienz der HM bei konstantem Eingangsstrom von 500 µA und variierter Spannung Als nächstes wurden die anderen Parameter der Wandler gemessen. Durch die Beschaltung anhand der Widerstände wurden Werte nach Tabelle 4.1 eingestellt. Hier sind auch die tatsächlichen Messwerte angegeben. Alle Funktionen werden von beiden Wandlern erfüllt. Der Eigenverbrauch des ADP5090 ist um 130 nW geringer als der Verbrauch des bq25504. Dieser minimal höhere Verbrauch fällt allerdings nicht ins Gewicht. Wesentlich wichtiger erscheint der konstant effizientere Wandelvorgang. Aus diesem Grund wurde für die miniaturisierte Platine der bq25504 genutzt. 39 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS Tabelle 4.1: Messwerte der Wandler-Module ADP5090 bq25504 Eingestellt P GHi,Lo [V ] P GLo,Hi [V ] U V [V ] OVoben [V ] OVunten [V ] Tsampel [s] MP P T Peigenverbrauch [µW ] 3,243 3,338 2,878 4,974 4,869 19 0,49 1,023 3,202 3,293 2,823 4,915 4,905 15 0,66 1,153 3,2 3,3 2,8 5 0,5/0,66 - 4.2.2 Gleichrichter Beim Gleichrichter wurde die Betriebskennlinie ermittelt. Dafür wurde das PSMU als Spannungsquelle eingestellt. Mit einem Spannungssweep von −1 V bis 1 V und einer Strombegrenzung von 1 A wird die Betriebskennlinie nach Abbildung 4.7 aufgenommen. Die angegebenen Werte des Datenblattes werden nicht erreicht. Ursache dafür könnte der Messaufbau mit den den dünnen Versorgungsleitungen sein. Strom [I] (log) 100 10−2 10−4 10−6 10−8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Spannung [V ] 0.7 0.8 0.9 Abbildung 4.7: Betriebskennlinie Gleichrichter CBRHDSH1-40L 40 1 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS 4.2.3 MOSFET Beim MOSFET wurden die Leckstromangaben des Datenblattes überprüft. Das PSMU wurde auch hier als Spannungsquelle auf beiden Kanälen genutzt. Die Strombegrenzung wurde auf 10 mA eingestellt. Kanal 1 ist auf 3 V eingestellt und an Source und Drain angeschlossen. Mit Kanal 2 wurde ein Spannungssweep von 0 bis 3 V gefahren. Es ist aufgefallen, dass im Design die Pins Gate und Source vertauscht waren. Durch die Jumper konnte trotzdem die Messung durchgeführt werden. Die Messung ist in Abbildung 4.8 zu sehen. Der Bereich wird bei der Darstellung auf 2 V bis 3 V begrenzt, da außerhalb dieses Bereichs die Werte konstant bleiben. Zu erkennen ist der steile Abstieg des Drain/Source Stroms ab einer Gate-Spannung von 2, 2 V . Der Strom des Gates befindet sich in der Auflösungsgrenze des Messgerätes und erreicht einen Wert von < 1 pA bis zur Gate-Spannung von 2, 9 V . Ab diesem Wert steigt der Gate-Strom an. Das Minimum des Source/Drain-Stroms liegt bei 875 pA. Alle Parameter liegen also deutlich unter den angegebenen Maximalwerten des Datenblattes. ·10−7 I [A] (log) I [A] IDS (links) IG (rechts) 10−2 2 10−4 1.5 10−6 1 10−8 0.5 10−10 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 UG [V ] 2.7 2.8 2.9 3 0 Abbildung 4.8: P-MOSFET Leckstrom 4.2.4 Load-Switch Zunächst wurde der Load-Switch analog zum MOSFET auf seinen Leckstrom untersucht. Hier wurde an den Ausgang ein 1-kΩ-Widerstand als Last angeschlossen. In Abbildung 4.9 ist ersichtlich, dass der Leckstrom der Versorgung im ausgeschalteten Zustand (Uon/of f < 0, 5 V ) kleiner als 1 nA ist. Der Strom Ion/of f beträgt im gesamten Bereich ca. 100 pA. Die Schaltflanke ist bei dem Wert von 1, 1 V deutlich zu sehen. 41 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS Als Nächstes wird beim Load-Switch die An- und Abstiegszeit gemessen, die über 10 µs betragen soll. Zu diesem Zweck wird auf den Eingang kein Spannungsverlauf, sondern eine RechteckFunktion aufgeschaltet. In Abbildung 4.10 ist dieses Ergebnis zu sehen. Leider sind die Schaltflanken des PSMU nicht besonders steil. Tf all,10% muss deshalb als fehlerhaft angenommen werden. Die Messwerte sind in Tabelle 4.2 dargestellt. Da der Load-Switch und der MOSFET gleichzeitig durch ein Signal umgeschaltet werden, sind diese Schaltzeiten problematisch. Denn es ist möglich, dass beide zur selben Zeit aktiv sind, da der MOSFET im Nanosekundenbereich schaltet. Zur Vermeidung hoher Stromflüsse soll im miniaturisierten Modul an beiden Ausgängen eine Induktivität platziert werden, die den Stromfluss – falls dieser wirklich auftritt – auffangen soll. Tabelle 4.2: Load-Switch An- und Abstiegszeiten Zeit [µs] 76,4 (23,2) 73,4 33,5 10−3 10−4 10−4 10−5 10−5 10−6 Imain (links) Ion/of f (rechts) 10−6 10−7 10−8 10−8 10−9 10−9 10−10 10−10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Uon/of f [V ] 2 2.2 2.4 2.6 2.8 Abbildung 4.9: Load-Switch Leckstrom 42 10−7 3 10−11 I [A] (log) I [A] (log) Tf all,90% Tf all,10% Trise,90% Trise,10% KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS Load-Switch Anstiegszeit Load-Switch Abstiegszeit U [V ] 3 3 Tf all,90% 2 2 1 1 Tf all,10% Trise,90% Trise,10% 0 Ausgang Eingang 0 −0.25 0 0.25 0.5 0.75 t [s] 1 1.25 ·10−4 −0.25 0 0.25 0.5 0.75 t [s] 1 1.25 ·10−4 Abbildung 4.10: Load-Switch An- und Abstiegszeit 4.3 Vermessung der restlichen Komponenten Die Harvester und der DSK wurden nicht mittels des Evaluation-Board vermessen, sondern durch direkten Anschluss an den Komponenten. Die durchgeführten Vermessungen sind im folgenden aufgeführt. 4.3.1 Solarzelle Bei der Solarzelle wurde die Betriebskennlinie aufgenommen, wobei die Helligkeit nicht geprüft wurde. Durchgeführt wurde die Messung bei normaler Raumbeleuchtung an einem sonnigen Tag. Die Solarzelle wurde an das PSMU angeschlossen. Diese wurde im gesamten Betriebsbereich von 0 V bis 5, 4 V durchgefahren. Der abgegebene Strom der Spannungsquelle wurde nun aufgenommen. Aus dem Produkt, der Spannung und dem Stroms ergibt sich die Betriebskennlinie in Abbildung 4.11. Der MPP liegt bei 3, 5 V mit P = 630 µW und damit bei 65 % der Leerlaufspannung. Hier wurde festgestellt, dass die Spannung der Solarzelle nur bedingt für den Betrieb mit dem Wandler-Modul geeignet ist. Diese sind bis zu einer Spannung von 5, 5 V ausgelegt. Es sollte für den richtigen Betrieb eine Solarzelle mit geringerer Leerlaufspannung gewählt werden. 43 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS ·10−4 I [A] ·10−4 I P 3 P [W ] 6 MP P 2 4 1 2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 U [V ] Abbildung 4.11: Betriebskennlinie der Solarzelle Sanyo AM-1815CA 4.3.2 Thermogenerator Der Thermogenerator ist mit dem zur Verfügung stehenden Equipment nicht zu testen. Denn um aussagekräftige Messergebnisse zu erhalten, muss ein konstanter und definierter Wärmestrom durch den Thermogenerator erzeugt werden. Deshalb wird eine einfache, theoretische Betrachtung durchgeführt: Unter der Annahme, dass die Thermokraft konstant über den kompletten Temperaturbereich einen Wert von 0, 029 V /K für einen Thermogenerator annimmt, hat die Serienschaltung aus vier Thermogeneratoren die Thermokraft α = 116 mV /K. Damit berechnet sich die Spannung des Thermogenerators nach Gleichung (4.2). UT hermo = α · ∆T = 116 mV /K · ∆T (4.2) Weiterhin wird angenommen, dass eine Spannung von mindestens 0, 7 V erzeugt werden soll, da ab dieser Spannung mit mehr als 80 %iger Effizienz gewandelt wird. Zusätzlich muss der Spannungsabfall am Gleichrichter berücksichtigt werden. Insgesamt ergibt sich eine Spannung von 1 V . Um diese Spannung zu erzeugen, muss zwischen der heißen und kalten Seite eine Temperaturdifferenz nach Gleichung (4.3) bestehen. ∆T = 1V UT hermo = = 8, 62 K α 116 mV /K (4.3) Der Kühlkörper hat bei einem Luftstrom von 1 m/s einen Wärmeleitwiderstand von 2 K/W , der Thermogenerator dagegen durch thermisches Parallelschalten einen Wert von 20 K/W /4 = 5 K/W . Der Wärmeleitkleber „Arctic Silver“ hat eine Wärmeleitfähigkeit von λ = 7, 5 W/(m · 44 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS K). Daraus folgt bei der Fläche des Kühlkörpers von A = 0, 0016 m2 und einer Schichtdicke von 0, 5 mm ein Wärmeleitwiderstand nach Gleichung (4.4). Rθ = 0, 5 · 10−3 m K l = = 0, 0417 · A·λ 0, 0016 m2 · 7, 5 W/(m · K) W (4.4) Die gesamte Kette der Wärmewiderstände berechnet schließlich nach Gleichung (4.5). Rθ,gesamt = Rθ,Kühlkörper + Rθ,T hermo + Rθ,W ärmeleitkleber + Rθ,Reserve K K K K =2 +5 + 0, 0417 + 0, 5 W W W W K = 7, 5417 W (4.5) Um eine Temperaturdifferenz von 8, 62 K am Thermogenerator zu erzeugen, ist ein Wärmestrom von Φ = 8, 62 K / 5 K/W = 1, 724 W erforderlich. Dieser erzeugt an der gesamten Kette eine Temperaturdifferenz nach Gleichung (4.6). ∆T = Rθ,gesamt · P = 7, 5417 K · 1, 724 W = 13 K W (4.6) Also muss für den gesamten Thermogenerator eine Temperaturdifferenz zwischen Hitzequelle und Umgebung von mindestens 13 K mit einem Wärmestrom von 1, 724 W herrschen, um eine Spannung von 1 V zu erzeugen. Wird nun von einem Wirkungsgrad von 0, 1 % ausgegangen, wird eine Leistung von P = 1, 723 W · 0, 001 = 1, 723 mW erzeugt. [27] 4.3.3 Vibrationswandler Für den Vibrationswandler wurde der Spannungsverlauf nach Abbildung 4.12 aufgenommen. Zur Messaufnahme wurde das Oszilloskop „DSO-X 2012A“ von Agilent genutzt. Es wird von Hand geschüttelt. Die ungleichmäßige Bewegung macht sich deutlich am Spannungsverlauf bemerkbar. Die plötzlichen Spannungseinbrüche kommen durch das Anstoßen des Magneten am Gehäuse zustande. Belastet wird der Vibrationswandler in diesem Diagramm mit einem 1, 2 kΩ und einem 10 Ω Widerstand. Es ist ersichtlich, dass die Spannung durch die Last von 1, 2 kΩ kaum zusammenbricht. Durch den 10 Ω Widerstand bricht die Spannung in der Spitze auf 700 mV zusammen. Bei der Vibration durch eine Maschine sollte mehr Energie erzeugt werden, da eine gleichmäßigere Bewegung erfolgt und das Anstoßen minimiert wird. Die mittlere 45 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS Leistung zwischen zwei Zeitpunkten wird allgemein nach Gleichung (4.7) berechnet. Z T2 1 u(t) · i(t) dt P = · T2 − T1 T1 (4.7) Das Oszilloskop liefert alle 100 µs einen Messwert. Der Strom an jedem Messpunkt kann durch das Ohm’sche-Gesetz ermittelt werden. Die Annäherung der mittleren Leistung für zeitdiskrete Werte ergibt sich somit nach Gleichung (4.8). T2 X u2 (t) 1 · · ∆t P = T2 − T1 t=T1 R (4.8) Zwischen T1 = −30 ms und T2 = 30 ms ergibt sich für die 10 Ω Last somit eine mittlere Leistung von P = 6 mW . Der Wandler funktioniert also einwandfrei und liefert eine hohe Leistung. Spannung [V ] 1 0.5 0 ohneLast 1, 2 kΩ Last 10 Ω Last −0.5 −1 −0.1 −5 · 10−2 0 Zeit [s] 5 · 10−2 0.1 Abbildung 4.12: Aufnahme der Vibrationswandler-Spannung mittels Oszilloskop 4.3.4 Doppelschichtkondensator Beim Doppelschichtkondensator wurde die Kapazität und die Selbstentladung gemessen. Die Kapazität eines Kondensators ergibt sich allgemein nach Gleichung (4.9). C=I· dt du (4.9) Um die Kapazität zu messen, wurde der Kondensator auf 4 V aufgeladen und eine halbe Stunde gehalten. Nun wird er mit einem konstanten Strom von 10 mA entladen. Nach 363 s hat er 46 KAPITEL 4. ENTWICKLUNG EINES EVALUATION-BOARDS eine Spannung von 1, 525 V . Die Kapazität errechnet sich mit diskreten Werten nun nach Gleichung (4.10). C=I· 363 s ∆t = 10 mA · = 1, 467 F ∆U 4 V − 1, 525 V (4.10) Damit liegt der gemessene Wert sehr nahe an dem, welcher angegeben war und ist innerhalb der Toleranzen. Schließlich wurde die Selbstentladung gemessen. Dies wurde für die Spannungen 4 V und 5 V durchgeführt. Es wurde in logarithmischen Zeitabständen bis 20 Tage gemessen. Das Ergebnis ist in Abbildung 4.13 zu sehen. Diese Messung zeigt, dass nach mehreren Tagen noch genügend Energie gespeichert ist, um den Betrieb aufrecht zu erhalten. Exemplarisch wurden zwei Bereiche ins Diagramm eingefügt, die die Sendegrenze und Betriebsgrenze darstellen. Fällt die Spannung unterhalb der Sendegrenze, wird die Freigabe für das Senden der Daten unterbrochen. Unterhalb der Betriebsgrenze wird auf Batteriebetrieb umgeschaltet. Diese Level können je nach Anforderungen angepasst werden. U [V ] 5 4V 5V 4 Sendegrenze 3 Betriebsgrenze 2 1 10 0.1 0.001 100 1 0.01 1,000 10 0.1 10,000 t [h] (log) 100 1 t [min] (log) 10 t [T age] (log) Abbildung 4.13: Messung der Selbstentladung des Kondensators 47 5 Entwicklung des miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls Als Nächstes wurde aus den Erkenntnissen, die in Kapitel 4 gesammelt wurden, das miniaturisierte Modul entwickelt. Die Harvester werden nun im miniaturisierten EnergieversorgungsModul durch eine Steckverbindung angebunden. Durch den Steckverbinder ist der Austausch eines Harvesters vereinfacht. Auch das Widerstandsnetzwerk, welches für die Einstellung des MPP notwendig ist, kann direkt im Stecker platziert werden. So wird der MPP für jeden Harvester direkt beim Einstecken richtig eingestellt. 5.1 Entwickeln der Platine Zunächst werden alle Testpunkte und Jumper aus dem Schaltplan entfernt. Nun werden drei Harvesting Module des bq25504 inklusive Beschaltung erstellt. Alle Wandler-Module erhalten die gleiche Beschaltung für die Über- und Unterspannung. Zwei Komparatoren werden ebenfalls beschaltet, während der Dritte unbeschaltet bleibt. Zwei Harvester Eingänge werden mit dem Gleichrichter ausgestattet, um den Vibrationswandler und den Thermogenerator Gleich zu richten. Zusätzlich sind die Induktivitäten an den Ausgängen des Load-Switches und des MOSFET’s platziert (siehe Kapitel 4.2.4). Als weitere Maßnahme gegen einen unzulässigen Stromfluss wurde am Gate des MOSFET’s ein RC-Tiefpass vorgesehen. So ist der Schaltplan nach Anhang A.2 entstanden. Nun wird der Schaltplan auf ein Platinendesign übertragen. Erneut wird aus dem Schaltplan eine Netzliste erstellt und damit das Projekt im Allegro PCB Designer geöffnet. Es wurde dieses Mal eine 4-Lagen-Platine erstellt. Die oberste und unterste Lage sind Signallagen, die zweite Lage Ground und darunter Power. Nachdem alle Bauteile platziert und angeordnet wurden, ist das Design nach Abbildung 5.1 entstanden. Das miniaturisierte Modul hat nun eine Größe 49 KAPITEL 5. ENTWICKLUNG DES MINIATURISIERTEN ENERGIEVERSORGUNGS-MODULS von 20 mm x 40 mm. Alle anderen Komponenten werden per Steckverbindung angeschlossen. Die Steckverbinder samt Widerstandsnetzwerk für den MPPT sind in Abbildung 5.2 zu sehen. Prinzipiell kann das Widerstandsnetzwerk auch direkt auf der Platine angebracht werden. Allerdings ist so eine Veränderung des Faktors nicht ohne einen Lötvorgang möglich. Abbildung 5.1: Platinendesign des miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls Abbildung 5.2: Steckverbinder der Harvester samt Spannungsteiler für MPPT Als letzter Schritt wird die Platine gefertigt, bestückt und gelötet. Die Fertigung geschieht wieder extern. Allerdings in einem Nutzen, also einem Array von Platinen. Das fertige Nutzen ist in Abbildung 5.3 dargestellt. An der langen Seite wird gefräst, da alle Widerstände in der Nähe dieser Kante sitzen und die Pads nicht beschädigt werden dürfen. Die kurzen Kanten werden geritzt und können ausgebrochen werden. Es werden drei Nutzen mit einem 5 x 2 Array bestellt. So kann auch zu einem späteren Zeitpunkt noch ein Nutzen bestückt werden. 50 KAPITEL 5. ENTWICKLUNG DES MINIATURISIERTEN ENERGIEVERSORGUNGS-MODULS Abbildung 5.3: Nutzen Gesamtansicht Für dieses Nutzen wird zusätzlich eine Pastenschablone mitbestellt, womit das Auftragen der Lötpaste vereinfacht wird. Es wurden vier Platinen bestückt, um auch hier Reserven bei einer Fehlfunktion zu haben. Das bepastete Nutzen wird in Abbildung 5.4(a) und eine von den fertigen Platinen in Abbildung 5.4(b) dargestellt. Hier sind oben die drei weißen Buchsen für die Harvester zu sehen. Zwischen drinnen sind die beiden Gleichrichter. Darunter die drei WandlerModule mit Beschaltung. Auf der rechten Seite sind die beiden Halbleiterschalter und darunter die Schnittstelle zusehen. (a) Bepastetes Nutzen (b) Miniaturisiertes Modul nach dem Löten und Ausbrechen Abbildung 5.4: Gefertigte Energieversorgungs-Module 51 KAPITEL 5. ENTWICKLUNG DES MINIATURISIERTEN ENERGIEVERSORGUNGS-MODULS 5.2 Vermessung der Platine Die Vermessung und der Funktionstest wurden nun einfach gehalten. Bei den drei Wandlern werden die Wandlerfunktion, der MPPT, die Überspannungsabschaltung (OV, für Overvoltage) sowie die frei einstellbaren Komparatoren getestet. Ob der Wandler arbeitet kann einfach durch eine Spannungsmessung mittels Oszilloskop an der Spule ermittelt werden. Wird gewandelt ist ein Lade- Entladeverhalten an der Spule zu beobachten. Der MPPT wird geprüft in dem im Stecker ein Widerstandsnetzwerk angebracht ist und eine Spannung durch die PSMU aufgeschaltet wird. Bei aktiver Strombegrenzung wird die Spannung auf den eingestellten Faktor sinken. Durch eine Hysterese in den Komparatoren sind bei der Überspannungsabschaltung wie auch bei dem frei einstellbaren Komparator zwei Werte zu ermitteln. Für die Messung der Überspannungsabschaltung wird solange Energie gesammelt bis nicht mehr gewandelt wird. Dieser Spannungswert ist nun der obere Schaltwert. Anschließend wird durch eine Last der Kondensator entladen. Die Spannung bei der der Wandler wieder seine Arbeit aufnimmt ist der untere Wert. Analog dazu erfolgt die Messung bei den freien Komparatoren, allerdings bei deren Spannungen und durch messen derer Ausgangsspannungen. Da zu diesem Zeitpunkt die Spannungswerte für die Schnittstelle noch nicht definiert waren, wurde die Spannungsschwelle P owerGood auf 3, 1 V gelegt und Switch auf 2, 9 V . Wie in Kapitel 3.2.4 erwähnt, kann P owerGood auf 3, 0 V und Switch auf 2, 8 V gelegt werden. So ist ein noch größerer Spannungsbereich des Kondensators nutzbar. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5.1 zu sehen. Tabelle 5.1: Messung des miniaturisierten Moduls W andler 1 W andler 2 W andler 3 F unktion MP P T OVoben [V ] OVunten [V ] Komparatoroben [V ] Komparatorunten [V ] 52 X X 4,938 4,921 3,19 3,09 X X 4,969 4,957 2,99 2,89 X X 4,947 4,94 - KAPITEL 5. ENTWICKLUNG DES MINIATURISIERTEN ENERGIEVERSORGUNGS-MODULS 5.3 Zusammenbau eines Demonstrationsmusters Das Demonstrationsmuster besteht aus allen drei Harvester, dem miniaturisierten Energieversorgungs-Modul, dem beispielhaften Funksensorknoten aus der Arbeit [1], den Energiespeichern und einem Gehäuse aus Kunststoff. Der Thermogenerator befindet sich an der Unterseite und die Solarzelle auf der Oberseite. So kann das Demonstrationsmuster alle drei Harvester mit ihrer Energie versorgen. Unter der Solarzelle sind beide Platinen übereinander gestapelt platziert. In der Mitte des Demonstrationsmusters befindet sich der Vibrationswandler und beide Energiespeicher. Das Demonstrationsmuster hat die Maße 5 cm x 5 cm x 5 cm und ist in Abbildung 5.5 zu sehen. Abbildung 5.5: Demonstrationsmuster mit allen Komponenten 5.4 Messungen mit dem Funksensorknoten Der Funksensorknoten braucht im schlimmsten Fall eine Energie von E = 6, 75 mJ zum Senden eines Paketes [1]. Diese Energie muss in der Zwischenzeit von allen drei Energy Harvester geliefert und gespeichert werden. Werden Verluste beim Wandeln und Speichern von 25 % angerechnet, müssen die Harvester eine Energie von 9 mJ erbringen. Wird davon ausgegangen dass die minimal Spannung des Systems 2, 8 V beträgt, muss der Kondensator für diese Energie auf eine Spannung von U = 2, 802 V geladen werden. Also gerade einmal 2 mV mehr. Die benötigte Energie belastet den Doppelschichtkondensator somit kaum. Deshalb kann die 53 KAPITEL 5. ENTWICKLUNG DES MINIATURISIERTEN ENERGIEVERSORGUNGS-MODULS Schaltschwelle für das Senden auf einen Wert von beispielsweise 3 V gesetzt werden. So ist auch bei alterungsbedingtem Kapazitätsverlust ein sicheres Senden möglich. Die Solarzelle liefert 630 µW (Kapitel 4.3.1), der Thermogenerator ca. 1, 5 mW (Kapitel 4.3.2) und der Vibrationswandler 6 mW (Kapitel 4.3.3). In der Summe ergibt das eine Leistung von P = 8, 13 mW . Mit dieser Leistung ist eine Zeit von T = E/P = 9 mJ/8, 13 mW = 1, 107 s nötig, um die erforderliche Energie zu erzeugen. Allerdings wird hier vom Idealfall ausgegangen, indem alle Harvester ihre volle Leistung erbringen. Wenn von einem Zehntel der Leistung ausgegangen wird, kann lediglich mit einer Wiederholrate von elf Sekunden gesendet werden. Dies ist ein ausreichend hoher Wert für die meisten Anwendungen. Wird die benötigte Energie zum Beispiel durch das Anpassen des Funkprotokolls reduziert, kann die Wiederholrate gesteigert werden. Wenn dies nicht ausreicht, müssen größere Harvester mit höherer Leistung gewählt werden. 54 6 Bewertung und Ausblick Durch diese Arbeit ist ein miniaturisiertes Energieversorgungs-Modul entstanden, dass drei Energy Harvester gleichzeitig Nutzen kann. Durch das Stecksystem kann der MPP jedes Harvesters direkt an diesem gewählt werden. So ist ein schneller Austausch, auch verschiedener Harvester, möglich. Die Effizienz von fast 90 % mit dem einstellbaren MPP ermöglicht es den Großteil der Energie der Harvester im Kondensator zu speichern. Mit Maßen von 20 mm x 40 mm ist das Modul sehr kompakt. Um das Modul noch weiter zu verkleinern, muss die Platine doppelseitig bestückt werden. Die Beschaltung der Wandler-Module durch Widerstände nimmt viel Platz auf der Platine in Anspruch. Diese könnten komplett auf die Unterseite verlagert werden. Eine weitere Möglichkeit zu Verringerung der Größe stellen die Wandler-Module selbst dar. Es wurde auf dem Markt kein Wandler-Modul gefunden, dass von sich aus aus mehreren Harvestern gleichzeitig sammeln kann und die restlichen Anforderungen für dieses Projekt erfüllt. Durch eine Integration von drei Step-Up Wandlern in ein Gehäuse muss nur noch einmal die Über- bzw. Unterspannungsgrenze eingestellt werden, statt für jedes Modul einzeln. Hier könnte ein „quasi paralleler Ansatz “ ausreichen. Ein so integriertes Modul könnte so mit einer Spule auskommen und jeden der drei Harvester, zyklisch, nacheinander, innerhalb kurzer Zeit, wandeln. Die Auswahl der Energiespeicher kann ebenfalls noch angepasst werden. Für die Primärbatterie ist eine Lithium Thionylchlorid Knopfzelle noch besser geeignet, da diese eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren hat. Der Doppelschichtkondensator ist mit 1, 5 F für die Sendeenergie von 6, 75 mJ überdimensioniert. Ein kleinerer, im Bereich 0, 5 F ist möglicherweise besser geeignet und bietet immer noch reichlich Reserven. Sendezyklen von 10 s sind für die meisten Anwendungen völlig ausreichend. Die Schaltschwellen für die Komparatoren sind hauptsächlich vom Funksensorknoten abhängig. Eine Untersuchung kann auch hier bessere Werte, für den sicheren Betrieb, liefern. Auch der Umschaltmoment von Kondensator auf Batteriebetrieb und umgekehrt muss analysiert werden. Hier dürfen keine unnötigen Ströme fließen. Diese würden beide Energiespeicher nur belasten. 55 KAPITEL 6. BEWERTUNG UND AUSBLICK Das miniaturisierte Modul und das Demonstrationsmuster können also als Grundlage zu weiterer Forschung genutzt werden. Die genutzten Harvester müssen genauer betrachtet und vermessen werden. Auch sinnvoll, ist eine Untersuchung, ob durch diesen Aufbau, bei einer Normumgebung, zu jeder Zeit genug Energie für den Sensorknoten gesammelt werden kann. Es ist auch möglich die Dimensionierung und Wahl der Energiespeicher, unter Einbezug des Funksensorknotens, für weiterführende Forschung zu nutzen. Auch die Integrierung eines stromsparenden dreifach-Wandler-IC’s ist ein mögliches Forschungsthema. 56 Literaturverzeichnis [1] P. Moser. Entwicklung einer drahtlosen Sensor-Netzwerk-Plattform für den Low-Power Anwendungsbereich. Bachelorarbeit, Hochschule Offenburg, Offenburg, 02.2017. [2] S. Benecke, A. Middendorf, H. Reichl, N. F. Nissen. Energy harvesting in der mikrosystemtechnik – technische möglichkeiten und grenzen unter berücksichtigung nachhaltiger aspekte, 2008. [3] E. Mackensen. Analyse, Simulation und Entwurf intelligenter, autarker Mikrosysteme für drahtlose Sensor-Aktor-Netzwerke: Zugl.: Freiburg im Breisgau, Univ., Diss., 2006, volume 5 of MEMS Technology and Engineering. Der Andere Verl., Tönning, 2006. [4] J. Sommerlatte, K. Nielsch, H. Böttner. Thermoelektrische multitalente: Nanostrukturierte materialien versprechen effiziente thermoelektrische konverter. Physik Journal 6 (2007) Nr. 5, 2007(5):35–41, 2007. [5] J. Jäckle. Über die Ursache der Thermospannung. Hochschulschrift, Universität Konstanz, 07.1998. [6] Günter Jakob Lauth and Jürgen Kowalczyk. Thermodynamik: Eine Einführung. Springer Berlin Heidelberg, Berlin Heidelberg, 2015. [7] Martin Löffler-Mang. Optische Sensorik: Lasertechnik, Experimente, Light Barriers. Studium Fertigung. Vieweg + Teubner, Wiesbaden, 1. aufl. edition, 2012. [8] Andrea Gillhuber. Solarstrom von der rolle. Elektronik/elektroniknet.de, (20):21–22, 2014. [9] Conversion efficiencies of best research solar cells worldwide for various photovoltaic technologies since 1976, 12.08.2016. 57 Literaturverzeichnis [10] Ltd. SANYO Semiconductor Co. Amorphous Silicon Solar Cells / Amourphous Photosensors. Datenblatt/appnote, 11.2007. [11] Michael Lenz. Bild Magnet durch Spule: Induktion. Bild, 8. Oktober 2010. [12] piezosystem jena GmbH. Piezo-Theorie: URL: https://www.piezosystem.de/produkte/ downloads/technische_informationen/piezo_theorie/. Appnote. [13] MIDE. Piezoelectric Energy Harvesters. Datenblatt, 23.01.2013. [14] sprut. Dc/dc-wandler: Url: http://www.sprut.de/electronic/switch/schalt.html, 07.2011. [15] Michael Sterner and Ingo Stadler. Energiespeicher: Bedarf, Technologien, Integration. Springer Vieweg, Berlin, 2014. [16] Texas Instruments. CSD23280F3 –12-V P-Channel FemtoFETTM MOSFET. Datenblatt, 04.2016. [17] magnets4you GmbH. Bild Magnetisierung des Neodym-Magneten QM-20x03x12-N. Bild, 21.07.2016. [18] AnalogDevices. ADP5090: Rev. C. Detenblatt, 08.30.2016. [19] Texas Instruments. bq25504. Datenblatt, 10.2011. [20] Texas Instruments. bq25570. Datenblatt, 03.2013. [21] Inc. Silicon Laboratories. Die Wahl der optimalen Batterie für Ihr Embedded-System. Appnote, 14.12.2016. [22] PowerStor. Supercapacitors PHB Series. Datenblatt, 2011. [23] Digi-Key Electronics. Bild Panasonic CR-1632. Bild, 17.01.2017. [24] Abracon Corporation. ASPI-0315FS Series. Detenblatt, 22.11.2011. [25] Central Semiconductor Corp. CBRHDSH1-40L. Datenblatt, 04.01.2010. 58 Literaturverzeichnis [26] Vishay. SiP32431. Datenblatt, 10.08.2015. [27] Horst Kuchling. Taschenbuch der Physik: Mit Tabellen. Fachbuchverl. Leipzig im Carl Hanser Verl., München, 20., aktualisierte aufl. edition, 2011. 59 Anhang A.1 Schaltplan Evaluation Board 60 A B C D BAT2 BAT1 JP19 JP11 TP11 1 2 TP10 TP7 1 2 TP15 TP13 5 TP6 JP25 1 1 JP27 2 1 1,5F 5,4V 2 1 JP3 2 1 3 + - 4 JP15 JP13 1 2 2 1 3 + - 4 V2 TP14 JP22 1 2 JP4 JP16 2 C10 10u D2 BRIDGE 2 D1 BRIDGE 2 1 2 1 TP8 TP3 4 Boost2_POS Boost1_POS V1 TP9 3V 140mAh Litium SYS2 SYS1 TP5 TP4 JP9 C9 50u Back_up JP14 JP17 JP20 3 JP6 JP5 TP1 3 2 1 2 1 2 1 2 1 PGOOD2 PGOOD1 3 4 TP16 TP12 U4 CSD23280F3 ON/OFF IN U3 GND 2 2 1 2 1 SiP32431 OUT 1 JP12 JP18 2 1 JP21 2 1 JP23 2 1 JP24 2 1 JP26 2 1 JP28 2 1 JP29 2 1 2 1 4 2 2 TP2 JP7 2 1 5 Date: Size A3 Title Friday, November 25, 2016 Document Number Main Eval-Board Energy Harvester 1 2 JP10 1 Sheet 1 1 2 3 4 5 6 1 JP8 of 3 Rev <RevCode> A B C D ANHANG Abbildung A.1: Schaltplan Evaluation Board Hauptseite 61 Abbildung A.2: Schaltplan Evaluation Board bq25504 A B C 5 Boost2_POS 4 4 C7 10u R23 10M R21 10M R19 10M 22u L2 C8 10n 1 2 3 4 VSS VIN_DC VOC_SAMP VREF_SAMP U2 JP2 1 2 C5 100n 16 15 14 13 R32 4.3M R34 120k R31 3.6 R33 150k 3 R28 20k R26 5.6M bq25504 12 11 10 9 C6 10u R27 51k R25 6.2M 3 AVSS VBAT_OK OK_PROG OK_HYST LBST VSTOR VBAT VSSa OT_PROG VBAT_OV VRDIV VBAT_UV 62 5 6 7 8 D 5 R30 0 R29 300k R24 300k R22 5.6M R20 180k R18 3.6M PGOOD2 BAT2 SYS2 2 2 Date: Size A3 Title Eval-Board Energy Harvester Friday, November 25, 2016 Document Number bq25504_1 1 Sheet 1 1 of 3 Rev <RevCode> A B C D ANHANG A B 5 Back_Up Boost1_POS 4 C1 10u R9 5M R5 5M R1 10M 22u L1 C4 10n R14 22k R10 inf. 14 4 12 6 5 7 9 DIS_SW MINOP BACK_UP CBP MPPT VIN SW U1 AGND 3 3 1 16 2 15 10 11 13 3 ADP5090 SETSD SETPG TERM REF BAT SYS PGOOD PGND 8 C 4 R12 150k R16 3.6M R15 3.9M R7 0 R6 160k R11 330k R3 6.2M R2 5.6M R17 3.6M R13 43k R8 130k R4 6.2M JP1 2 1 D 5 2 C2 100n 2 C3 10u BAT1 SYS1 PGOOD1 Date: Size A3 Title Eval-Board Energy Harvester Friday, November 25, 2016 Document Number ADP5090 1 Sheet 1 1 of 3 Rev <RevCode> A B C D ANHANG Abbildung A.3: Schaltplan Evaluation Board ADP5090 63 ANHANG A.2 Schaltplan miniaturisiertes Modul 64 A MPPT1 B BOOST1 C D 6 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 SM05B X2 SM05B X1 C12 10u 5 22u L3 MPPT2 MPPT1 1 1 C15 10n 1 2 3 4 VSS VIN_DC VOC_SAMP VREF_SAMP U5 2 C8 100n D2 CBRHDSH1-40L 2 D1 CBRHDSH1-40L R32 4.3M R36 330k R35 150k R23 270k R22 51k R31 3.6 R16 5.1M R15 6.2M bq25504 AVSS VBAT_OK OK_PROG OK_HYST 12 11 10 9 BOOST2 BOOST1 6 5 4 3 2 1 4 R28 13k R24 300k R12 180k R8 5.6M R4 0 R2 3.9M PGOOD1 BAT1 SYS1 SM05B X3 4 MPPT2 BOOST2 MPPT3 BOOST3 C11 10u 22u L2 C14 10n 1 2 3 4 3 VSS VIN_DC VOC_SAMP VREF_SAMP U4 R30 4.3M R34 330k R33 150k R20 270k R19 51k R29 3.6 R14 5.1M R13 6.2M bq25504 AVSS VBAT_OK OK_PROG OK_HYST 12 11 10 9 3V 140mAh Litium C6 100n C2 1.5F 5.4V SYS3 SYS2 BAT2 BAT3 SYS1 BAT1 3 V1 C3 50u PGOOD2 R27 0 R21 330k R11 390k R7 5.1M R3 270k R1 3.9M PGOOD2 BAT2 SYS2 2 MPPT3 2 ON/OFF IN BOOST3 3 4 U1 1k OUT 1 C10 10u 0 0 L5 C16 U6 CSD23280F3 SiP32431 R37 GND 2 3 + - 4 3 + - 4 6 16 15 14 13 LBST VSTOR VBAT VSSa OT_PROG VBAT_OV VRDIV VBAT_UV 5 6 7 8 16 15 14 13 LBST VSTOR VBAT VSSa OT_PROG VBAT_OV VRDIV VBAT_UV 5 6 7 8 Date: Size A3 Title 22u L1 0 L4 C4 100n PGOOD2 PGOOD1 VSS VIN_DC VOC_SAMP VREF_SAMP R25 150k R17 3.6 R9 51k R5 6.2M Wednesday, December 21, 2016 Document Number Main 1 Sheet R26 330k R18 4.3M R10 270k 12 11 10 9 1 R6 5.1M bq25504 AVSS VBAT_OK OK_PROG OK_HYST Energy Harvester Thesis Miniaturisiert C13 10n 1 2 3 4 U3 C1 10u 16 15 14 13 LBST VSTOR VBAT VSSa OT_PROG VBAT_OV VRDIV VBAT_UV 5 6 7 8 5 1 of 1 J1 Rev 1v0 BAT3 SYS3 1 2 3 4 5 6 A B C D ANHANG Abbildung A.4: Schaltplan des miniaturisierten Energy Harvesting Moduls 65
