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Ultra-Low-Power-Technologie-Update

Gebäude- und Heimautomations-Designs energieeffizient optimieren

8. Oktober 2020, 15:16 Uhr | Von Brian Dempsey, Systems Design Engineer bei Texas Instruments

Drahtlose Smart-Sensor-Produkte erreichen mit einer Knopfzelle mittlerweile über zehn Jahre Betriebszeit. Der Beitrag zeigt technische Fortschritte auf, die die Integration von Energieeffizienz als Top-Designkriterium bei der Entwicklung von Gebäudeautomations-Produkten vereinfachen.

Zunächst soll es um die Frage gehen, auf welche Weise Nanopower-ICs dazu beitragen, die Funktionalität zu erweitern und den Stromverbrauch zu verringern. Dank der jüngsten Fortschritte sind lange Betriebsdauern und ein geringer Stromverbrauch zur Realität geworden. Die durchschnittliche Stromaufnahme eines Nanopower-Bausteins liegt im Nanoampere-Bereich, also eines Milliardstel Ampere. Eine herkömmliche Knopfzelle des Typs CR2032, wie sie in einem drahtlosen Smart-Building-Sensor zum Einsatz kommt, kann über einen Zeitraum von zehn Jahren etwa 2100 nA liefern.

Die in den vergangenen zwei Jahren auf den Markt gekommenen Nanopower-Bauelemente nehmen weniger als halb so viel Strom auf wie ihre unmittelbaren Vorgänger. Da die Designer somit weniger Platz für Batterien und Netzteile benötigen, können sie kleinere Produkte realisieren. Dank dieser Fortschritte wird es außerdem einfacher, bestehende Wohn-, Gewerbe- und Industriegebäude mit Sensoren und intelligenten Geräten aufzurüsten. Da diese Ausrüstungen mehrere Jahre mit einer handelsüblichen Batterie auskommen, müssen keine Stromversorgungskabel verlegt werden, und auch ein routinemäßiger Austausch der Batterie ist nicht erforderlich.

Die rapide Zunahme der IoT-Anwendungen (Internet of Things) im Bereich der Gebäudeautomation unterstreicht das Potenzial zur Verbesserung der Sicherheit und Effizienz mithilfe eingebetteter Sensoren, die Fehler an den Komponenten deutlich größerer Systeme detektieren können oder in der Lage sind, das Wohlbefinden von Menschen per Millimeterwellen-Radar zu überwachen.

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Überlegungen, Bedeutung und künftige Trends

Das Thema Energieeffizienz bringt zahlreiche Überlegungen für Designingenieure mit sich, die nicht nur die Erwartungen an die Feature-Ausstattung und die Batterielebensdauer in Einklang bringen müssen, sondern auch den durchschnittlichen Stromverbrauch eines jeden Bauteils auf der Leiterplatte zu berücksichtigen haben und gefordert sind, ein präzises, statisches Stromverbrauchsmodell für ihr Design zu erstellen. Viele Entwickler sind inzwischen bestens informiert, was die möglichst stromsparende Implementierung bestimmter Funktionen in einem Design betrifft, um die Gesamteffizienz zu steigern.

Die Energieeffizienz ist nicht allein für batteriebetriebene Anwendungen relevant, sondern auch für nahezu jedes netzbetriebene System. Zum Beispiel hat das US-Energieministerium für die HLK-Branche (Heizung, Lüftung, Klima) strengere Vorgaben für die Mindesteffizienz erlassen, die als „Seasonal Energy-efficiency Ratio“ (saisonales Energieeffizienz-Verhältnis) bezeichnet werden. Diese Vorschriften bewirkten eine Abkehr von Motoren mit Betriebskondensator und eine Hinwendung zu elektronisch kommutierten Motoren, die von vielen Herstellern inzwischen standardmäßig in neueren HLK-Anlagen eingesetzt werden. Ein Vergleich zwischen beiden Motorbauarten findet sich in Bild 1.

Zwar müssen die Konsumenten die Mehrkosten für diese Motoren übernehmen, aber die elektronisch kommutierten Motoren ergeben eine so drastische Anhebung der Energieeffizienz, dass sie sich nach Angaben des US-Energieministeriums rasch bezahlt machen. US-amerikanische Verbraucher können demnach bis 2030 mehr als 9 Mrd. US-Dollar an Stromkosten sparen. Von TI gibt es ein Referenzdesign (Electronically Commutated Motor Reference Design for HVAC Blowers with Low BOM Cost), das einen guten Ausgangspunkt für das Design eines hocheffizienten elektronisch kommutierten Motors darstellt.

Im Bereich der Gebäudesicherheit, die eines der wichtigsten Anwendungsgebiete batteriebetriebener Applikationen innerhalb der Gebäudeautomation darstellt, findet man unzählige Beispiele für diesen Trend in Produktdesigns mit extrem geringer Leistungsaufnahme und im Bereich der Energieeffizienz. Wie aus Bild 2 zu entnehmen ist, wird dem Security- und Videoüberwachungs-Markt von 2013 bis 2023 ein Wachstum von etwa 5 % prognostiziert (Quelle: Omdia, Industrial Semiconductor Market Tracker, 2020). Aus diesem Wachstum resultiert unweigerlich ein Vorstoß zur Steigerung des Wirkungsgrads von Security- und Videoüberwachungsgeräten. In größeren Bereichen sowie in älteren Gebäuden ist der Einsatz batteriebetriebener Sensoren wesentlich kosteneffektiver, als auf Netzstromversorgung zu setzen, die nicht unbedingt überall verfügbar ist.

Die zunehmende Fokussierung auf die Energieeffizienz hat zu einer Verlängerung der Batterielebensdauer geführt, sodass abgesetzte Sensoren in Gewerbe- oder Wohngebäuden die Echtzeit-Umgebungsdaten und den Sensorzustand über deutlich längere Zeiträume übertragen können, als es bisher möglich war – und dies ohne die Notwendigkeit einer Netzstromversorgung.