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 2

Energy Harvesting in der Gebäudeautomation

Ein großer Teil der aktuellen Innovationswelle im Bereich der Ultra-Low-Power-Anwendungen beruht auf Knopfzellen-Designs, die über Jahrzehnte hinweg nicht verändert wurden. Diese Anwendungen können ihre Energie jedoch auch aus der Umgebung beziehen, sei es in Form von Licht (Photovoltaik), Bewegung oder HF-Energie. Energy Harvesting kann die Energieeffizienz signifikant verbessern, indem sie einem Gerät zusätzliche Energie zur Verfügung stellt. Kombiniert man diese Technik mit extrem sparsamen Bauelementen und einem effizienten Design, lässt sich die Lebensdauer abgesetzter Gebäudesensoren um Jahre steigern. Ein Superkondensator, der in stromsparenden Geräten anstelle von oder zusammen mit Knopfzellen eingesetzt wird, speichert die geerntete Energie und stellt sie dem Gerät zur Verfügung. Im Unterschied zu Wegwerf-Batterien lassen sich Superkondensatoren außerdem schnell wieder aufladen.

Beispiel Türgriff

Ein simpler Vorgang wie das Niederdrücken einer Türklinke kann bereits zusätzliche Energie für ein intelligentes Türschloss bereitstellen. Über ein Getriebe kann die langsame Bewegung des Türgriffs die Welle eines Motors auf eine hohe Drehzahl bringen, sodass dieser als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie dienen kann. Diese Energie wiederum lässt sich nach Gleichrichtung in einem Superkondensator speichern. Bild 6 zeigt eine mögliche Anordnung zum Testen dieser Energy-Harvesting-Methode. Zum Einsatz kommen ein Dynamometer und eine Kupplung für den Türgriff.

Bild 7 bietet den Überblick über den kompletten Stromweg zum Umwandeln der Drehbewegung der Türklinke in gespeicherte Energie. In diesem Stromweg finden sich zwei Load Switches, die die Belastung der Batterie verringern, wenn im Superkondensator genügend Energie gespeichert ist, um das System zu versorgen oder um als Energiequelle zum Laden der Batterie zu dienen.

Der H-Brücken-Motortreiber DRV8847 erntet Energie aus dem als Generator fungierenden Motor. Die Beschaltung des Bausteins geht aus Bild 8 hervor.
Es gibt von TI noch zahlreiche weitere Produkte und Designs, die den Forderungen der Industrie nach Energy Harvesting nachkommen. Ein Beispiel ist das Referenzdesign „Energy Harvesting for Wireless Switch Power Reference Design“, das einen Zero-Frequency Energy Harvesting Switch nutzt, um aus dem Drücken einer Taste Energie zu gewinnen. Ein weiteres gutes Beispiel ist das „Energy Harvesting Ambient Light and Environment Sensor Node for Sub-1GHz Networks Reference Design“ mit zwei integrierten Solarzellen, die dem System per Photovoltaik zusätzliche Energie zur Verfügung stellen.