Fachartikel aus MECHATRONIK 3-4/2011, S. 21 bis 23

Drahtlose Sensoren arbeiten mit einem Piezoelement als Energiequelle und Li-Poly-Batterien als Energiespeicher

Völlig unabhängig vom Stromnetz

Mit einigen einfach einzusetzenden Komponenten ist es möglich, ein komplettes kompaktes Energie erntendes Subsystem für drahtlose Sensor/Transmitter aufzubauen. In diesem speziellen System liefert ein Piezoelement PFCB-W14 zeitweise Leistung, wobei zwei Batterien die Energie für den Betrieb des Sensor/Transmitters speichern. Eine integrierte Trennschaltung schützt die Batterien vor Vollentladung. Dieses System kann entladene Batterien in 75 Stunden wieder voll aufladen, wenn der Sensor/Transmitter mit einem 0,5%igen Arbeitszyklus arbeitet. Die Batterien erlauben es dem System den Sensor/Transmitter kontinuierlich für 115 Stunden mit einem 0,5%igen Arbeitszyklus zu betreiben, nachdem der PFCB-W14 aufgehört hat Energie zu liefern. Wenn eine längere Batteriebetriebszeit nötig ist, kann der Arbeitszyklus des Sensor/Transmitters entsprechend reduziert werden.

Es gibt einen gerade entstehenden und potenziell riesigen Markt für drahtlose Sensoren. Aufgrund ihrer Art werden drahtlose Sensoren an Orten eingesetzt, in denen kein Zugriff möglich ist, oder in Applikationen, die eine große Anzahl von Sensoren benötigen – zu viele, um dieses Netzwerk einfach zu verdrahten. In den meisten Fällen ist es auch unmöglich für diese Systeme, ausschließlich mit Batterien als Energiequelle zu arbeiten. Ein Sensor zur Überwachung der Temperatur von Fleisch beim Transport muss auf eine manipulationssichere Weise montiert werden, was auch einen Batteriewechsel ausschließt. HVAC-Sensoren (heating, ventilation, air conduction) die an die Quellen der klimatisierten Luft montiert sind, sind viel zu weit verstreut, um mit Batterien zu arbeiten. In diesen Anwendungen kann das „Ernten“ von Energie dieses Problem lösen und Energie ohne Batterien liefern. Das Ernten von Energie alleine generiert jedoch häufig nicht genug Energie, um den Sender des Sensors kontinuierlich zu betreiben – die Energie erntenden Techniken generieren ungefähr 1 mW bis 10 mW – während eine aktive Sensor-Transmitter-Kombination zwischen 100 mW und 250 mW benötigt. Die geerntete Energie muss also, wenn möglich, für den Einsatz des Sensor/Transmitters gespeichert werden, der mit Arbeitstakten arbeitet, die die Möglichkeit der Energiespeicherung des Systems nicht übersteigt. Andererseits muss der Sensor/Transmitter auch dann arbeiten können, wenn keine Energie geerntet werden kann. Und schließlich muss, wenn die gespeicherte Energie verbraucht ist und das System abschaltet, dieses in der Lage sein, zuerst die Organisationsaufgaben zu erledigen. Dazu zähen eine Meldung bei Abschalten des Systems oder das Speichern von Informationen in einem nichtflüchtigen Speicher. Deshalb ist es wichtig, kontinuierlich verfügbare Energie zu ernten.

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