Für die Überwachung zahlreicher Umweltfaktoren können Entwickler heute auf eine Vielzahl moderner Sensoren zurückgreifen, die mit Low-Power-Wide-Area-Network (LPWAN)-Technologie ausgestattet sind und Daten in die Cloud übertragen können. Ein häufiges Problem ist jedoch die Stromquelle. Viele Internet of Things (IoT)-Anwendungen werben zwar damit, dass sie jahrelang mit einer Knopfzelle betrieben werden können, aber das bedeutet immer noch zahllose Batterien, die auf dem Müll landen – und hinzu kommt noch der enorme Aufwand, diese Batterien zu ersetzen.

Es gibt jedoch einen Ansatz, der quasi unerschöpfliche Energie verspricht. Beim so genannten Energy Harvesting wird Energie aus Quellen in unserer Umgebung gesammelt und zur Nutzung durch eine elektronische Anwendung gespeichert. Dabei kann es sich um Sonnen- und Wärmeenergie, Vibrationen, Wind oder sogar osmotische Energie handeln. Da die gesammelte Energie sehr klein ist und in der Regel nur wenige Milliwatt beträgt, muss die damit betriebene Elektronik eine ULP-Technologie (Ultra-Low-Power) verwenden.

ULP-Microcontroller

Hersteller von Mikrocontrollern (MCUs) wie Renesas bieten mit ihrer RE01-Serie ideale Bauteile für das zentrale Steuerungselement solcher Anwendungen (Abbildung 1). Durch die Kombination von stromsparenden Siliziumprozessen und einem intelligenten Chip-Design benötigt der RE01 im aktiven Modus nur 35 µA/MHz und im Standby-Modus 500 nA. Und für das Energy Harvesting von Energiequellen verfügt er über einen speziellen Energy Harvesting Controller (EHC).

Da die von Energy Harvesting-Quellen gelieferte Energie nicht ausreicht, um die MCU und ihre Anwendung direkt mit Strom zu versorgen, muss sie in einem geeigneten Speicher gesammelt werden, bis sie ausreicht, um eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten und die Anwendung zu betreiben.

Speicherung der gesammelten Energie

Es hat sich bewährt, zwei verschiedene Arten von Speichern in Kombination zu verwenden. Der erste lädt sich schnell auf, hat aber nur eine begrenzte Speicherkapazität, während der zweite sich langsamer auflädt, aber deutlich mehr Kapazität bietet.

Der erste Speicher ist der so genannte Startkondensator oder C-SU. Er muss den Temperaturanforderungen der Anwendung entsprechen, einen niedrigen ESR-Wert und Ableitstrom aufweisen und sehr zuverlässig sein. Zudem sollte er eine stabile Kapazität bei unterschiedlichen Temperaturen bieten.

Für einen C-SU ist Tantal mit Sicherheit die beste Wahl. Es bietet eine deutlich bessere Kapazitätsstabilität als MLCC-Alternativen und hat einen wesentlich geringeren Ableitstrom als Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Ein Bauteil mit einer Kapazität von etwa 100 µF bis 150 µF, das Spannungen von etwa 3 V liefert, eignet sich ideal, wie z. B. die TPS-Serie von Kyocera AVX (Abbildung 2). Der TPSC107K010R0200 ist ein 100 µF-Bauelement mit einer Spannung von 10 V und einem ESR von nur 200 mΩ. Dank seines oberflächenmontierbaren Gehäuses 2312 (6032-28) lässt er sich leicht auf einer Leiterplatte integrieren.

Superkondensatoren anstelle von wiederaufladbaren Batterien

Der zweite Speicher ist der C-BULK. Hierfür eignen sich Superkondensatoren ideal. Im Vergleich zu alternativen Energiespeichern, wie z.B. wiederaufladbaren Batterien, dauert der Ladevorgang nur wenige Sekunden, die Betriebstemperatur ist deutlich höher und es sind eine Million Ladezyklen möglich. Jedoch sollten Superkondensatoren, die in einem Stack verwendet werden, ebenso wie Batterien gleichmäßig geladen werden, um Schäden durch Überspannungen zu vermeiden. Im einfachsten Fall ist ein passiver Ausgleich mit einem Widerstand möglich, wobei dies jedoch den Wirkungsgrad aufgrund der verbrauchten Leistung verringert. Ein aktiver Ausgleich ist komplexer und teurer in der Umsetzung, aber auch effizienter.

Ähnlich wie bei Batterien ist die von jedem Superkondensator gelieferte Spannung relativ begrenzt und liegt im Bereich von 2,1 bis 3,3 V. Die Lebensdauer und damit die Zuverlässigkeit kann auch durch Begrenzung der Betriebstemperatur und der Betriebsspannung verlängert werden. Mit einer Verringerung der Temperatur um 10 °C und der Betriebsspannung um 0,1 V verdoppelt sich die mittlere Zeit bis zum Ausfall (MTTF, Mean Time To Failure).

Die Kapazität der Bauelemente wird in Farad angegeben und sie werden entsprechend den Anforderungen an die Schaltung und das Gehäuse ausgewählt. Ein Paar zylindrische Durchsteck-Bauelemente SCCQ12B105PRB der SCC-Serie mit 1,0 F und 2,7 V bildet einen Stack mit 5,4 V und 0,5 F. In Tests lieferte dieser Ansatz eine maximale Energie von 100 mW in zwei Bauelementen von 6,3 mm Durchmesser und 12 mm Höhe. Eine Alternative sind Superkondensatormodule wie die SCM-Serie von Kyocera AVX. Ein SCMR18C105PRBA0 verdoppelt die Kapazität auf 1 F, wiederum bei 5,4 V (Abbildung 3). Sein radiales, geschrumpftes Gehäuse belegt eine Leiterplattenfläche von 8,0 × 16,0 mm, ist 18 mm hoch und liefert mit 350 mW mehr als dreimal so viel Energie wie der Ansatz mit seriellen Komponenten.

MCU-Unterstützung für Energy Harvesting

Das integrierte EHC-Modul der RE01-Serie von Renesas sammelt gezielt Energie aus der verfügbaren Quelle und gewährleistet so einen zuverlässigen Betrieb (Abbildung 4). Es lädt zunächst den Tantal-C-SU bis zum Erreichen der minimalen Startspannung (>2,7 V) für die MCU auf. Sobald diese Spannung erreicht ist, wird der C-SU mit der internen Stromversorgungsschiene der MCU verbunden, so dass die Ausführung von Programmcode beginnen kann. Gleichzeitig wird die Energiequelle mit dem Superkondensator C-BULK verbunden, um sich aufzuladen.

Danach kann die Anwendung nach Bedarf laufen, wobei der EHC den C-SU und den C-BULK je nach Bedarf auflädt und gegebenenfalls sogar das Energy Harvesting-Element als Energiequelle nutzt. Wenn das Energy Harvesting-Element keine Energie liefern kann, wie etwa bei einer Solarzelle in der Dunkelheit, steuert der EHC präzise die gleichmäßig Energieabgabe der Kondensatoren. Sollte die gesamte verfügbare Energie verbraucht sein, startet der EHC das System neu, indem er zunächst den C-SU auflädt. Wenn Sie die Entwicklung einer Anwendung planen, in der Energy Harvesting, ULP MCUs und Sensortechnologie zum Einsatz kommen, schauen Sie sich die hier vorgestellten Produkte an, oder wenden Sie sich an das Mouser-Team, falls Sie weitere Unterstützung benötigen.