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

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Energieeffiziente Geräte

In Gebäudesicherheits-Anwendungen können Hall-Effekt-Sensoren Änderungen magnetischer Felder detektieren, die mit kostengünstigen, an Türen oder Fenstern befestigten Magneten erzeugt werden. Werden, wie im DRV5055 Angle Evaluation Module, zwei Sensoren des Typs DRV5055 zusammen eingesetzt, ist sogar eine zweidimensionale Positionserkennung möglich. Mit dieser fortschrittlichen Erfassungsmethode lässt sich abhängig von der Kalibriermethode und der Anzahl der verwendeten Kalibrierpunkte eine geringe Messungenauigkeit von unter 1° erzielen, während die Stromaufnahme eher hoch ist (typ. ca. 12 mA). Um also den Stromverbrauch zu minimieren, kann zunächst mit einem sehr stromsparenden Hall-Effekt-Schalter detektiert werden, ob überhaupt ein bewegliches magnetisches Feld vorhanden ist.

Blockschaltbild
Bild 3: Blockschaltbild eines energieeffizienten Türpositions-Sensors
© Texas Instruments

In einer Anordnung wie in Bild 3, die dazu dient, den Drehwinkel eines Türschließer-Schwenk­arms zu detektieren, dient ein zusätzlicher Nanopower-Hall-Sensor vom Typ DRV5032 dazu, die DRV5055-Sensoren mit ihrem höheren Stromverbrauch zu aktivieren. Letztere sind folglich nicht ständig eingeschaltet, sondern kommen nur dann zum Einsatz, wenn bereits eine Bewegung registriert wurde. Bei Verwendung eines Hall-Effekt-Schalters zusammen mit einem äußerst wenig Strom verbrauchenden Load Switch lassen sich die DRV5055-Sensoren so lange von der Stromversorgung trennen, bis sie tatsächlich für die Winkelerfassung benötigt werden.

Front-End-Schaltung
Bild 4: Stromsparende Front-End-Schaltung für einen PIR-Sensor
© Texas Instruments

In Bild 4 ist eine weitere stromsparende, energieeffiziente Applikation dargestellt, in welcher der 320-nA-Operationsverstärker TLV8802 als Signalkette für einen passiven Infrarotsensor (PIR) genutzt wird. Der TLV8802 eignet sich hervorragend für kostensensible Systeme mit batteriebetriebenen Geräten.

PIR-Anwendungen benötigen ein verstärktes, gefiltertes Signal am Ausgang des PIR-Sensors, damit die an die nachfolgenden Schaltungen weitergeleiteten Signalamplituden genügend hoch sind, um aussagefähige Informationen zu enthalten. Die typischen Signalpegel am Ausgang eines PIR-Sensors liegen jedoch im Mikrovoltbereich, wenn es um das Erkennen von Bewegungen entfernter Objekte geht. Ohne Verstärkung geht es folglich nicht. Die Filterfunktion ist wiederum nötig, um die Rauschbandbreite des Systems zu begrenzen, bevor das Signal dem Fensterkomparator zugeführt wird. Die Filterfunktion bestimmt darüber hinaus die minimale und die maximale Bewegungsgeschwindigkeit, die das System detektieren kann.

Umgebungssensor
Bild 5: Drahtloser Umgebungssensor mit Nanotimer und Load Switch
© Texas Instruments

Eine weitere Möglichkeit, ein Design mit Blick auf die Energieeffizienz zu optimieren, ist die Verwendung einer Kombination aus einem Nanotimer und einem Load Switch, um Bauelemente mit höherem Stromverbrauch oder sogar den Mikrocontroller in einen tieferen Schlafzustand zu versetzen. In Bild 5 ist das Schaltbild eines einfachen, stromsparenden Umgebungssensors zu sehen, der sich für Wohn- und Gewerbegebäude eignet.

Der TPL5111 liefert in diesem Fall ein periodisches Aufweck- oder Freigabesignal für den TPS22860, der die Stromversorgung für den HDC2080 einschaltet. Der Done-Pin des TPL5111 ist mit einem GPIO-Pin des SimpleLink-Mikrocontrollers verbunden, um die Stromversorgung des HDC2080 zu deaktivieren, sobald die Verarbeitung abgeschlossen ist. Wenn der Nanotimer den Load Switch abgeschaltet hat, wird die Stromversorgung des HDC2080 deaktiviert, was für eine erhebliche Energieeinsparung sorgt. Die Periodendauer des TPL5111 lässt sich über einen weiten Bereich einstellen, sodass noch mehr Energie gespart werden kann, indem man die Abfragerate stark herabsetzt.


  1. Gebäude- und Heimautomations-Designs energieeffizient optimieren
  2. Energieeffiziente Geräte
  3. Energy Harvesting in der Gebäudeautomation
  4. Beispiel für ein energieeffizientes Design

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