Prinzip und Aufbau

Ein Sensor enthält einen Energy Harvester, der Umgebungsenergie in elektrische Energie umwandeln kann.

Eine Schaltung zur Energieaufbereitung (Energy Management) ist erforderlich, um die gewonnene Energie an ein Spannungsniveau anzupassen, das von der Elektronik genutzt werden kann (meistens im Bereich von 1 bis 5 V DC). Die Energieaufbereitungsschaltung selbst muss einen sehr geringen Energieverbrauch und Verlust aufweisen, um auch kleine Energiemengen vom Harvester effizient umsetzen zu können. Das ist einen knifflige Aufgabe. Eingesetzt werden hierfür spezielle Schaltkreise oder auch kombinierte diskrete Schaltungen aus Gleichrichter, Spannungswandler und Energie-management. Zwischen Energy Harvester und Energieaufbereitungselektronik muss auf eine optimale Impedanzanpassung geachtet werden, um den Wirkungsgrad der Energiegewinnung zu optimieren.

Der Energiespeicher (Energy Storage) nimmt überschüssige Energie aus der Energie-aufbereitungsschaltung auf und stellt sie der Anwendungselektronik auch längerfristig zur Verfügung. Als Speicherelemente werden Kondensatoren, Supercaps oder Akkus eingesetzt.

Die Praxis zeigt, dass für jede Anwendung unterschiedliche Anforderungen bestehen. Nicht nur die Art der Umgebungsenergie selbst, sondern auch der Energy Harvester, die Energieaufbereitung und der Speicher müssen stets neu und sorgfältig ausgewählt werden.

Die Anwendungselektronik besteht üblicherweise aus Mikrocontroller, Sensoren und einem Funk-Transceiver oder Funk-Sender. Auch Aktoren sind möglich. Per Software des Mikrocontrollers können alle Funktionen und Schnittstellen sowie das Energiemanagement gesteuert werden.

Einige Geräte kombinieren Energy Harvesting auch mit zusätzlichen Batterien. Dadurch wird Versorgungssicherheit oder eine verlängerte Batterielebensdauer erreicht. Vollständig energieautarke batterielose Geräte können immer dann realisiert werden, wenn mehr Umgebungsenergie gewonnen werden kann als für die gesamte Schaltung benötigt wird.

Technischer Stand bei Energy Harvesting

Die sehr unterschiedlichen Anforderungen an energieautarke Geräte führen auch zu unterschiedlichen technischen Lösungen:

• Solarzellen gibt es in verschiedenen Ausführungen und Leistungsbereichen (amorph, mono- und polykristallin). Solarzellen sind gut anpassbar und werden häufig für autarke Sensoranwendungen eingesetzt, insbesondere im Außenbereich.

• Elektrostatische Konverter erreichen die niedrigsten Leistungsstufen (aber hohe Spannungen) und sind kaum als kommerzielle Produkte erhältlich.
  Piezoelektrische Wandler haben eine erhebliche Alterung und erreichen somit keine lange Lebensdauer.

• Elektrodynamische Wandler sind eine ideale Kombination aus langer Lebensdauer, hoher Energiedichte und geringer Alterung. Begrenzend könnte die notwendige Größe für eine bestimmte Leistung wirken.
  Sowohl elektrostatische als auch elektrodynamische Harvester liefern Wechselspannung, die gleichgerichtet werden muss. Die Richtung der Anregung durch eine mechanische Bewegung kann aus dem Signal jedoch zusätzlich abgeleitet werden, um z.B. die Betätigungsrichtung von Schaltwippen zu ermitteln.

• Wandler für Vibrationsenergie sind spezielle Versionen von elektrostatischen oder elektrodynamischen Wandlern. Sie sind wenig verbreitet und häufig noch Gegenstand von Forschung.

• Der thermoelektrische Wandler (TEG) ist in verschiedenen Ausführungen und Leistungsbereichen handelsüblich. Die TEG ist gut skalierbar und daher an unterschiedliche Anwendungsszenarien anpassbar. Voraussetzung für eine zuverlässige und dauerhafte Funktion ist das Vorhandensein eines kontinuierlichen Wärmeflusses zwischen Wärmequelle und Wärmesenke, da für das Umwandlungsprinzip ein erheblicher Temperaturgradient erforderlich ist und der Wirkungsgrad sehr gering ist.

• Energy Harvesting aus elektromagnetischen Feldern wird auf Hochspannungsleitungen an Strommasten zur Energieversorgung von Sensoren verwendet. Auch das kabellose Laden von Zahnbürsten oder Mobiltelefonen ist ein kommerzieller Anwendungsfall. Diese Art der Energieerzeugung kann nur zusammen mit künstlich erzeugten Feldern eingesetzt werden. Die Stärke von natürlicher elektromagnetischer Energie, die in der freien Umgebung zur Verfügung steht, ist zu gering um technisch genutzt zu werden.

Beispiele realisierter Produkte bei IK Elektronik

– EnOcean-Funkmodule 315 und 868 MHz (TCM, PTM, STM)
– Batterielose Funk-Raumthermostate mit Solarzellen
– Funkschalter für Industrieanwendungen mit elektrodynamischem Wandler
– Batterieloser Funk-Lichtschalter
– Batterieloser Funk-Fensterkontakt
– Funkmodule 868 MHz, 915 MHz und 2,4 GHz für Smart Home mit elektrodynamischem Wandler
– Sensorschraube mit Energy Harvesting und Funkelektronik

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Als Entwickler von Funkelektronik haben die Ingenieure bei IK Elektronik sehr vielfältige Aufgaben zu lösen und ein sehr breites Wissensgebiet abzudecken. Neben der Elektronikentwicklung, Messaufgaben, der Softwareentwicklung und dem Projektmanagement ist es zunehmend notwendig und wichtig, auch Konzeptarbeit zu leisten. Kunden und Geschäftspartner des Unternehmens müssen bei der der Realisierung ihrer gesamten Anwendung oder ihres gesamten Systems unterstützt werden.

Mit dem zunehmenden Interesse der Kunden des Unternehmens und des Marktes am „IoT“, dem „Internet of Things“, also der Vernetzung von dezentralen Sensoren und Aktoren mit dem Internet sind auch die Entwickler bei IK Elektronik im Rahmen ihrer Tätigkeit zunehmend mit diesen Themen konfrontiert. Zahlreiche Studien, Vorentwicklungen und Produktentwicklungen konnten in den letzten Monaten und Jahren (bis 2019) bereits bei IK Elektronik durchgeführt werden, beispielsweise in den Geschäftsfeldern Smart City, für Smart Home oder auch Smart Metering.

Beispiele realisierter NB-IoT-Projekte sind die Überwachung von mobilen Maschinen, die Ablesung von Verbrauchsdaten für Energie oder auch die Umweltsensorik im und um das Haus. Vielfältige neue Ideen werden an IK Elektronik herangetragen. Die Anforderungen reichen dabei vom Konzept für neue Geräte über die kompletten Entwicklungsleistungen bis hin zur Fertigung. Auch Unterstützung im Bereich Antennenentwicklung, Schaltungsoptimierung oder Produktzulassung sind gefragte Leistungen.

Die Motivation für den Anwenderbericht zum Thema „NB-IoT“ – „Narrow Band Internet of Things“ ist die Zusammenfassung oder besser Sammlung der bisherigen Erfahrungen in Form einer Einführung in das Thema für unsere Kunden, für Entwickler und Interessierte, ohne den Anspruch auf umfassende Darstellung und Vollständigkeit. Es handelt sich um eine Momentaufnahme zum Zeitpunkt der Erstellung aus Sicht des Entwicklers.

Der Anwenderbericht von IK Elektronik enthält:

• Motivation aus Sicht des Entwicklers
• Begriffe und Einordnung
• Technische Grundlagen
  • Genutzte Frequenzen für NB-IoT
  • Sendeleistungen, Link Budget und Strombedarf von NB-IoT-Modulen
  • Übertragungsablauf bei NB-IoT
  • Datenvolumen, Datenrate und Kosten
  • Roaming, Handover und Nutzung der Technologie zu Ortung
• Ausblick auf die weitere Entwicklung
• Weiterführende Links zu Netzbetreibern und Modulherstellern

Zum vollständigen Anwenderbericht

Die IK Elektronik GmbH bietet deshalb ihren bewährten StromPager, der bereits seit Jahren erfolgreich im Berliner Stromnetz eingesetzt wird, nun als erweiterte Variante DX an. Dieser kommuniziert zuverlässig über ein flächendeckendes Funknetz und garantiert dadurch eine hohe Ausfallsicherheit. Zudem besteht nun erstmals die Möglichkeit, Rückübertragungen zu tätigen, was eine wesentlich höhere Verfügbarkeit garantiert.

Bei der Antennen-Entwicklung deckt IK Elektronik das gesamte Spektrum von der Simulation über die messtechnische Optimierung bis hin zur Messung aller Abstrahlungseigenschaften ab. Die Simulation erfolgt mit CST Design Studio. Das Spezialgebiet der Antennenentwicklung bei IK Elektronik sind miniaturisierte embedded Antennen zur Integration in Gehäuse und Geräte. Besondere Erfahrungen bestehen auch im Bereich Verguss von Antennen für Spezialanwendungen. Selbstverständlich ist die Entwicklung und Vermessung jeglicher anderer Antennen im Frequenzbereich bis 6 GHz möglich. Beschränkungen bestehen lediglich in Bezug auf die Größe und das Gewicht der zu vermessenden Antennen und Geräte.

Am 15. und 16. Mai 2019 ist es wieder soweit: beim kommenden Fachkongress Zählen – Messen – Prüfen (ZMP) des Forums Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) bestimmt das Motto  „Tschüss Labor – hallo Welt“ die Agenda. Seien Sie wieder mit dabei, wenn rund 1.000 Experten über intelligente Messsysteme und ihre Rolle bei der Digitalisierung der Energiewende diskutieren.

Eventdatum: 15.05.19 – 16.05.19

Eventort: Leipzig