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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Energy Harvesting -> Bitte um Starthilfe!


Autor: Stephan W. (stephan-w)
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Hallo zusammen,

ich beschäftige mich gerade mit dem Thema Energy Harvesting. Wir haben 
bei uns auf Arbeit Funkmodule auf Basis des AtMega 1281 von Atmel, die 
derzeit durch Batterien am Leben gehalten werden. Ich möchte gern 
verschiedene Harvester ausprobieren und konkrete Energiewandler 
bestellen, um eine Teststellung aufzubauen (z.B. 3 energieautarke 
Funkknoten, die sich Signale hin und her schicken). Allerdings bereitet 
mir die Auswahl Schwierigkeiten (insbesondere die der 
Energiemanagementschaltung).

Mein Problem ist, dass ich mir oft unsicher bin, was ich alles benötige, 
bzw. auf was ich alles achten muss. Ein solches Harvesting-System (mit 
Energiepuffer) besteht doch i.d.R. aus folgenden komponenten:

1.Energiewandler
2.Energiemanagementschaltung (also Ladeschaltung für den Puffer Cap/AKKU 
und anschließend noch eine Anpassungsschaltung für die Spannung)
3.Verbraucher (µC -> hier Atmega1281)

Nach einigen Recherchen bin ich beispielsweise auf folgende Produkte 
gestoßen:

Energiewandler: Solarzelle (http://www.farnell.com/datasheets/87125.pdf)
E-Management: ALD EH300 (http://www.aldinc.com/pdf/EH300ds.pdf)

Was muss man beim Verbinden der Solarzelle mit der E-Managmentschaltung 
beachten? Ich frage mich auch, wie die Anbindung des Funkmoduls erfolgt. 
Momantan ist auf dem Modul ja die Halterung für eine Batterie. Kann man 
einfach die Pole in der Batteriehalterung mit dem Ausgang der 
Managementschaltung verbinden? Bitte nicht lachen, ich habe wirklich 
keine Ahnung wie man soetwas angeht, bzw. worauf es ankommt, wenn man 
einen gegebenen µC wie den oben genannten "mal eben energieautark" 
machen möchte :-)

Ich würde mich über einen Beitrag von Euch freuen.

vG Stephan

: Verschoben durch Admin
Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Nach einigen Recherchen bin ich beispielsweise auf folgende Produkte
> gestoßen:
> Managementschaltung
Suchst du evtl. nach falschen Begriffen?

> was ich alles benötige
Zuerst mal das konkrete Wissen, wieviel Energie (Leistung pro 
Zeiteinheit) du brauchst. Dann das Wissen, wie du diese Energie am 
besten einsammeln könntest (Solarzellen sind in dunkelheit recht 
unbrauchbar). Daraus leitet sich dann ein geeignetes Speicherkonzept ab. 
Und dann kannst du an die Komponentensuche denken.

Energie-Ernte ist ein sehr dehnbarer Begriff: Leistungen von uW bis MW 
mit Zeiten von ms bis Jahren ist da alles vertreten. Ein rotierender 
Sensor könnte z.B. Energie aus dem Erdmagnetfeld entnehmen, der Gewinn 
ist dann allerdings abhängig von der Ausrichtung zum Erdmagentfeld. Sehr 
gut funktioniert die Ernte offenbar auch an einem Temperaturgefälle. 
Wind sei geeignet, heißt es. Auch mit Sonne wäre was denkbar...

Autor: Stefan Salewski (Gast)
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Ach je...

>wieviel Energie (Leistung pro Zeiteinheit)

So etwas wie Watt/Sekunde?

>Energie aus dem Erdmagnetfeld entnehmen,

Wenn das ginge, dann könnte man ja erst recht Energie aus einem starkem 
Permanent-Magneten entnehmen. Wäre ja fein...

Gut, ich weiß schon was Du gemeint haben magst, aber beim nächsten mal 
bitte etwas mehr Sorgfalt.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Stefan Salewski (Gast)

>Wenn das ginge, dann könnte man ja erst recht Energie aus einem starkem
>Permanent-Magneten entnehmen. Wäre ja fein...

Kann man auch.

http://www.flubu.com/comics/Dilbert.915.g.gif

;-)

Autor: Stephan W. (stephan-w)
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Hallo zusammen,

zunächst mal danke für die ersten Beiträge in diesem Thread. Zur 
Eingrenzung des Themas: Ich möchte Micro-Energy-Harvesting betreiben, 
d.h. Energie aus der Umwelt beziehen im µW - mW Bereich und mich dabei 
vor allem auf folgende Arten der Energiegewinnung berufen:

Photovoltaik
Thermovoltaik (Peltier-Elemente, die nach dem SEEBECK-Effekt arbeiten)
Piezoelektrik zur Umwandlung von Vibration in Elektrische Energie.


Lothar Miller schrieb:
>> Nach einigen Recherchen bin ich beispielsweise auf folgende Produkte
>> gestoßen:
>> Managementschaltung
> Suchst du evtl. nach falschen Begriffen?

Nach welchen würdest du denn Suchen? Ist die Schaltung, die ich da 
herausgesucht habe denn unpassend für mein Anliegen?

>
>> was ich alles benötige
> Zuerst mal das konkrete Wissen, wieviel Energie (Leistung pro
> Zeiteinheit) du brauchst.

ok, da gebe ich Dir natürlich Recht. Wir sind gerade dabei die 
Leistungen (Glaube du hast da was verdreht: Leistung ist doch Energie 
pro Zeit und nicht umgegehrt, oder?) von unseren Funkknoten zu messen, 
d.h. wieviel wirklich im Sleepmodus im Tx und Rx verbraucht wird. Aber 
man kann ja bereits vorher mit groben werten arbeiten. Sagen wir wir 
haben folgende Ströme bei der Betriebsspannung von 1,8V: Sleep 5µA, Rx 
10mA, Tx 15mA.

Was meint ihr denn nun zu den oben herausgefundenen Produkten und zu 
meiner Idee mit dem Anschluss an die Klemmen der Batteriehalterung?

Hoffe auf weitere konstruktive Beiträge,

vG Stephan

Autor: Eddy Current (chrisi)
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Ich habe den Eindruck, dieses Modul wurde genau für Dich gemacht. Jeder 
halbwegs begabte Elektroniker bastelt sich eine Solarzelle an einen 
Stepup Wandler mit Spannungsüberwachung und dann kann es auch schon 
losgehen. Ach ja: Dicken Kondensator nicht vergessen.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Bei Linear Technologies schon gewesen?
http://www.linear.com/pc/viewCategory.jsp?navId=H0...

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Ja. Nachdem man sich mal Gedanken zum Verbrauch gemacht hat, sollte man 
sich Gedanken zum Standort machen. Was sind da fuer Bedingungen, die man 
ausnutzen kann ? Temperaturzyklen Tag-Nacht ? Licht ?
Der Link zu LinearTechnology ist gut.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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>>>> wieviel Energie (Leistung pro Zeiteinheit)
>>> So etwas wie Watt/Sekunde?
>> Glaube du hast da was verdreht: Leistung ist doch Energie pro Zeit
Danke für die Korrektur, ich war da offenbar am Rande meiner 
Energieprozeitfähigkeit... ;-)

@ Stefan
>>> Gut, ich weiß schon was Du gemeint haben magst, aber beim nächsten mal
>>> bitte etwas mehr Sorgfalt.
Ok, ich gelobe Besserung...

@ Falk
Bitte nochmal den Dilbert Link, der geht nicht:
http://www.flubu.com/images/no-hotlinking.png

@  Stephan W.
> Sagen wir wir haben folgende Ströme bei der Betriebsspannung von 1,8V:
> Sleep 5µA, Rx 10mA, Tx 15mA.
Jetzt fehlen noch die jeweiligen Zeiten. Derzeit kann sich der 
Strombedarf überall zwischen 5uA (Dauerschlaf) und 15mA (geschwätziger 
Sender) bewegen. Du mußt also noch definieren: 998ms Schlaf, 1,2ms 
Empfang, 0,8ms Senden. Oder 40min. Schlaf, dann 10ms Senden und 50ms 
Empfang? Erst wenn du das weißt kannst du einen Knopf an die Sache 
machen.

> Nach welchen würdest du denn Suchen? Ist die Schaltung, die ich da
> herausgesucht habe denn unpassend für mein Anliegen?
Nein, das wird schon tun, aber du solltest mal überlegen, was diese 
Module denn eigentlich machen: sie speichern Energie in Kondensatoren.

Autor: Falk Brunner (falk)
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Autor: Stephan W. (stephan-w)
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Hallo alle miteinander und vielen Dank für das Feedback!!!

@Eddi:

>Ich habe den Eindruck, dieses Modul wurde genau für Dich gemacht. Jeder
>halbwegs begabte Elektroniker bastelt sich eine Solarzelle an einen
>Stepup Wandler mit Spannungsüberwachung und dann kann es auch schon
>losgehen. Ach ja: Dicken Kondensator nicht vergessen.

ok, dann liege ich also schonmal nicht so falsch. Der Kondensator müsste 
ja dabei sein, nehme ich zumindest an, wenn im Datenblatt von einer 
"internal storage capacitor bank" gesschrieben wird,... obwohl kein Wort 
über dessen Kapazität verloren wird,... aber das ist jetzt nicht so 
wichtig.

@Axel, @Wow wie Denn

>Bei Linear Technologies schon gewesen?
>http://www.linear.com/pc/viewCategory.jsp?navId=H0...
>Ja. Nachdem man sich mal Gedanken zum Verbrauch gemacht hat, sollte man
>sich Gedanken zum Standort machen. Was sind da fuer Bedingungen, die man
>ausnutzen kann ? Temperaturzyklen Tag-Nacht ? Licht ?
>Der Link zu LinearTechnology ist gut.

Jepp, auf die Seite bin ich auch schon gestoßen. Die Schaltungen, die 
dort angeboten werden haben, sofern ich das richtig verstanden habe 
ebenfalls die Aufgabe der Spannungskonditionierung und der 
Ladesteuerung, zumindest vom LTC3588 würde ich das behaupten. Schaut man 
sich die Schaltung an, dann scheint sie um einiges komplexer zu sein als 
die, die ich vorgeschlagen habe. Mit meinen vergleichsweise mageren 
Elektronikkenntnissen fällt da das Verständnis schon etwas schwerer :-(

@Lothar Miller

>Jetzt fehlen noch die jeweiligen Zeiten. Derzeit kann sich der
>Strombedarf überall zwischen 5uA (Dauerschlaf) und 15mA (geschwätziger
>Sender) bewegen. Du mußt also noch definieren: 998ms Schlaf, 1,2ms
>Empfang, 0,8ms Senden. Oder 40min. Schlaf, dann 10ms Senden und 50ms
>Empfang?

Völlig richtig, ich muss mir natürlich Gedanken über den Duty-cycle 
machen. Auch da erfolgen derzeit Messungen bei uns über welche Zeiten 
man hier sprechen kann. Ich denke dein erster Vorschlag

998ms Schlaf
1,2ms RxTx

ist bereits eine gute Annäherung, da ja der Funkknoten den größen Teil 
der Zeit schlafen soll! Das ergibt dann also eine Periondenzeit von 
999,2ms mit einem Duty-Cycle von 0.12%.

>Erst wenn du das weißt kannst du einen Knopf an die Sache machen.

entweder mir ist diese Redewendung unbekannt, oder ich verstehe nicht, 
was du für einen Knopf meinst :-)

>... aber du solltest mal überlegen, was diese
>Module denn eigentlich machen: sie speichern Energie in Kondensatoren.

richtig, was anderes sollen sie ja neben der Spannungsanpassung auch 
nicht tun, oder?




Bitte weiter so, macht Spaß mit Euch! Wahrscheinlich lacht ihr schon 
drüber aber ich muss nochmal eine zuvorgestellte Frage in den Raum 
werfen:

Es ging darum, die vorhandene Platine bei uns (Atmega 1281, Radio 
Transceiver, Batteriehalterung) mit dem von mir oben vorgeschlagenen 
Schaltungsmodul zu verbinden. Die Frage war: Kann man
einfach die Pole in der Batteriehalterung mit dem Ausgang der
Managementschaltung verbinden?

vG Stephan

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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>>Erst wenn du das weißt kannst du einen Knopf an die Sache machen.
> entweder mir ist diese Redewendung unbekannt, oder ich verstehe nicht,
> was du für einen Knopf meinst :-)
Knöpfe waren/sind die letzten Bauelemente, die ein Schneider an eine 
Hose/Jacke genäht hat. Erst dann war das Projekt fertiggestellt.

>>... aber du solltest mal überlegen, was diese
>>Module denn eigentlich machen: sie speichern Energie in Kondensatoren.
> richtig, was anderes sollen sie ja neben der Spannungsanpassung auch
> nicht tun, oder?
Die Managementschaltung macht zweierlei:
1. die Ausgangsspannung max. 3,6V begrenzen
2. die Ausgangsspannung nach einem Absinken auf 1,8V abschalten

> Kann man einfach die Pole in der Batteriehalterung mit dem Ausgang
> der Managementschaltung verbinden?
Wenn deine Schaltung mit den 1,8-3,6V klarkommt kannst du das. 
Allerdings muß dir klar sein, dass die Versorgungsspannung nach einem 
Absinken unter 1,8V einfach abgeschaltet wird. Der Controller wird dann 
mit einem normalen Power-UP Reset aufwachen...
Aber an deiner Stelle würde ich das einfach ausprobieren.

Autor: Stephan W. (stephan-w)
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Lothar Miller schrieb:
>>>Erst wenn du das weißt kannst du einen Knopf an die Sache machen.
>> entweder mir ist diese Redewendung unbekannt, oder ich verstehe nicht,
>> was du für einen Knopf meinst :-)
> Knöpfe waren/sind die letzten Bauelemente, die ein Schneider an eine
> Hose/Jacke genäht hat. Erst dann war das Projekt fertiggestellt.
>

Danke für diesen Zuwachs an Redewendungen für mich :-)


>>>... aber du solltest mal überlegen, was diese
>>>Module denn eigentlich machen: sie speichern Energie in Kondensatoren.
>> richtig, was anderes sollen sie ja neben der Spannungsanpassung auch
>> nicht tun, oder?
> Die Managementschaltung macht zweierlei:
> 1. die Ausgangsspannung max. 3,6V begrenzen
> 2. die Ausgangsspannung nach einem Absinken auf 1,8V abschalten

ok, das konnte ich mir bereits auch aus dem Datenblatt erschließen, aber 
danke, dass du das nochmal explizit herausgestellt hast

>> Kann man einfach die Pole in der Batteriehalterung mit dem Ausgang
>> der Managementschaltung verbinden?
> Wenn deine Schaltung mit den 1,8-3,6V klarkommt kannst du das.
> Allerdings muß dir klar sein, dass die Versorgungsspannung nach einem
> Absinken unter 1,8V einfach abgeschaltet wird. Der Controller wird dann
> mit einem normalen Power-UP Reset aufwachen...
> Aber an deiner Stelle würde ich das einfach ausprobieren.

da gebe ich Dir recht, auf den Versuch kommt es an.

vG Stephan

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Mit mageren Elektronik Kenntnissen macht das Ganze wenig Sinn. Denn eine 
Stromspar Anwendung ist auf der abgehobenen Seite. Und einfach mal 
Mudule verbinden ist es nicht. Da ist dann wahrscheinlich noch ein 
LM7805 drauf... Ein Konzept sollte aus einem Guss sein. Angefangen mit 
einer Stromspar-CPU, einem Stromspar Leiterplattendesign, und 
Stromspar-Software.

Autor: Stephan W. (stephan-w)
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Wow wie Denn schrieb:
> Mit mageren Elektronik Kenntnissen macht das Ganze wenig Sinn.

Niemand ist perfekt und ein Elektronik-Guru bin ich keinesfalls. Aber 
ich möchte mich in die Materie einarbeiten und es zumindest versuchen.

> Denn eine
> Stromspar Anwendung ist auf der abgehobenen Seite. Und einfach mal
> Mudule verbinden ist es nicht. Da ist dann wahrscheinlich noch ein
> LM7805 drauf... Ein Konzept sollte aus einem Guss sein. Angefangen mit
> einer Stromspar-CPU, einem Stromspar Leiterplattendesign, und
> Stromspar-Software.

Ich gebe Dir natürlich recht, dass das Konzept einer 
Energiemanagementschaltung nicht das einzige ist, wenn man einen 
Funkknoten energieautark arbeiten lassen möchte... das ist mir schon 
klar, aber die Anforderungen an das Energiemanagement (Komponentenwahl, 
Duty-Cycle Konzepte, Zeitverhalten von Harvestern in Abstimmung mit dem 
Duty-Cycle der Anwendung) ist nunmal das Thema, mit dem ich mich derzeit 
beschäftige. Meine Kollegen beispielsweise sorgen für die 
energiesparenden Applikationen. Das das am Anfang alles erstmal recht 
abstrakt ist und man zunächst noch mit exemplarischen Werten arbeiten 
muss ,ist doch verständlich...

vG Stephan

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