Bessere Ernte

Funksensormodule, die durch einen Energy Harvester statt einer Batterie gespeist werden, dienen beispielsweise zur Strukturanalyse in Flugzeugtragflächen oder zur Reifendrucküberwachung in Wagenrädern. Diese Produkte sind besser zu handhaben und effizienter, wenn sie drahtlos gespeist werden oder sich selbst mit Energie versorgen. Um die Eignung verschiedenen Technologien für die Energiespeicherung in einem piezoelektrischen Energy-Harvester zu untersuchen, wurden Tests mit folgenden Kondensatortypen durchgeführt:

• Tantal-Polymer: gute Kapazitäts-/ESR-Leistung, 
• Niob-Oxid: hohe Zuverlässigkeit/Robustheit,
• Tantal-MnO 2 : Standard- und Low-ESR-Typen mit hoher Volumeneffizienz und langer Lebensdauer,
• Professioneller Tantal-MnO 2-Kondensator: erhöhte Zuverlässigkeit und niedriger DC-Leckstrom (DCL), 
• Keramik-Multilayer: ultra-geringer ESR und geringer DCL.

Piezo-Prinzip

Ein piezoelektrisches Element besteht aus zwei metallenen Kontakten/Anschlussdrähten und Schichten aus piezoelektrischem Material. Ein Generator entsteht daraus, wenn man das Element an einem Ende fixiert und am anderen Ende ein kleines Metallgewicht anbringt, so dass sich ein schwingungsfähiges mechanisches System ergibt. Dieses System neigt dazu, auf seiner Resonanzfrequenz zu schwingen – selbst dann, wenn es mit anderen, unregelmäßig schwankenden Frequenzen angeregt wird. Die maximale Energie wird erzeugt, wenn der Generator auf seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Durch die mechanische Auslenkung des Piezoelements entsteht an dessen Kontakten eine elektrische Spannung, die zur Energieversorgung elektrischer Geräte verwendet werden kann. Bei diesem Experiment wurde das Piezoelement an einem Ende mechanisch fixiert, das andere Ende (aktiver Bereich) wurde 6 mm über einem kleinen Elektromagneten platziert. Da der Korpus des Piezoelements aus einer magnetischen Legierung besteht, eignet sich der Magnet sehr gut als Erreger, der den Piezostreifen in Schwingungen versetzt und am Ende des aktiven Bereichs eine Auslenkung von etwa 2 mm hervorruft.Der Elektromagnet wurde von einem Generator mit einem Rechtecksignal angesteuert. Die Frequenz wurde auf die mechanische Resonanzfrequenz des Piezoelements (Maximum der Wechselspannungsamplitude am Ausgang des Piezoelements) abgestimmt. Die höchste Piezoelement-Ausgangsspannung (Vpp = 31,4V) wurde bei einer Frequenz von fm = 28 Hz erreicht. Da das Piezoelement einen hohen Innenwiderstand aufweist, sinkt dessen Ausgangsspannung bei Belastung erheblich ab.

Energy-Harvesting-Schaltung

Ein modernes Energy-Harvesting-System besteht im Wesentlichen aus vier Funktionsblöcken:

1. einer Energiequelle, die einen kleinen Ausgangsstrom liefert, der nicht ausreicht, um ein elektrisches Gerät direkt zu speisen;
2. einem Gleichrichter, der die von der Energiequelle gelieferte Wechselspannung in eine zur Speicherung geeignete Gleichspannung umsetzt;
3. einer Schaltung zur Speicherung der Energie in einem Kondensator;
4. einem DC/DC-Abwärtswandler, der die gespeicherte Spannung in die gewünschte Ausgangsspannung umsetzt.

Ein Energiegenerator verhält sich wie eine Stromquelle mit hohem Innenwiderstand. Er lädt einen Speicherkondensator über einen Gleichrichter. Die Spannung über dem Speicherkondensator wird mithilfe einer Schaltung zur Unterspannungsabschaltung gemessen, die den DC/DC-Wandler aktiviert, wenn die gespeicherte Energie ausreicht, um in eine Ausgangsspannung umgesetzt zu werden, und umgekehrt den DC/DC-Wandler deaktiviert, wenn die gespeicherte Energie zu gering dafür ist. Wir müssen also zwischen zwei Energy-Harvester-Betriebsphasen unterscheiden: „Laden/Ausgang abgeschaltet“ und „Ausgang aktiviert“.

Speicherkondensator-Benchmark

Die für den Benchmark-Test herangezogenen Kondensatoren repräsentieren verschiedene Technologien; sie unterscheiden sich hinsichtlich Leckstrom (DCL) und äquivalentem Serienwiderstand (ESR). Der Leckstrom der Kondensatoren wurden bei einer konstanten, im Arbeitsbereich der Kondensatoren liegenden Spannung von 3,5 V gemessen und der äquivalente Serienwiderstand (ESR) bei einer Frequenz von fc = 100Hz, nahe bei der Piezo-Generator-Resonanzfrequenz von fm = 28 Hz. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse dieser Messungen aufgelistet. Alle Kondensatoren haben eine Kapazität von C = 22 µF und eine Nennspannung von Vr = 16 V (außer dem Typ Niob-Oxid NOJ mit VrN = 10V). Diese Dimensionierung wurde gewählt, um das gewünschte Ladezeit/LED-Einschaltzeit-Verhältnis von etwa 1:1 und eine für Oszilloskop-Messungen geeignete LED-Blinkfrequenz zu erzielen.

TABELLE 1: LISTE DER FÜR DAS EXPERIMENT AUSGEWÄHLTEN KONDENSATORTYPEN

Ladezeit und LED-Einschaltzeit

Tabelle 2 zeigt, dass die getesteten Kondensatoren beim Einsatz als Energy-Harvester-Speicherkondensatoren unterschiedliche Lade- und LED-Einschaltzeiten ergeben. Der Kondensator-Leckstrom beeinflusst sowohl die Kondensator-Ladezeit als auch die LED-Einschaltzeit. Je geringer der Leckstrom, desto kürzer die Ladezeit und desto länger die LED-Einschaltzeit. Gewisse Unregelmäßigkeiten in der Beziehung zwischen dem statischen Leckstrom und dem Ladezeit/LED-Einschaltzeit-Verhältnis lassen sich durch Schwankungen des tatsächlichen Leckstroms während der Arbeitsphasen erklären – der effektive Leckstrom kann von dem gemessenen Wert abweichen.

TABELLE 2: LADEZEITEN UND LED-EINSCHALTZEITEN FÜR DIE SPEICHERKONDENSATOREN AUS DEM BENCHMARK-TEST

Zusammenfassung

Die beste Leistung wurde mit dem Kondensatortyp Tantalum TRJ Professional erzielt, der bei der Arbeitsspannung einen relativ niedrigen Leckstrom aufweist. Als zweitbeste Technologie erwies sich MLCC. Alle anderen Technologien ergaben deutlich längere Ladezeiten. Tantal-MnO2-Kondensatoren – sowohl Standardtypen als auch Low-ESR-Typen (Produktfamilien TAJ und TPS) – ergaben geringfügig kürzere LED-Einschaltzeiten als alle anderen Technologien. Dieses Experiment hat bestätigt, dass ein kleiner Leckstrom (DCL) das wichtigste Kriterium bei der Auswahl eines Speicherkondensators für Energy-Harvesting-Anwendungen ist. Er ist besonders dann wichtig, wenn die Energiequelle nur sehr geringe Ströme liefert, die nur wenig höher sind als der Leckstrom selbst, und wenn die geforderte Ausgangsleistungs-Einschaltzeit mit der Ladezeit vergleichbar oder gar länger ist. Der ESR der getesteten Kondensatoren hatte keinen spürbaren Einfluss auf die Leistung des Energy Harvesters. Die ausgewogenste Kombination aus niedrigem DCL, ausreichender Kapazität und Stabilität der elektrischen Parameter boten die professionellen Tantal-Kondensatoren der Serie TRJ.

TABELLE 3: LEISTUNG DES ENERGY-HARVESTERS MIT VERSCHIEDENEN SPEICHERKONDENSATOREN

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