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Wie lassen sich Sensoren in IoT Anwendungen möglichst lange mit einer Batterie betreiben?

Erstellt von Bianca Aichinger, Product Marketing Manager, RECOM Power GmbH; Co-Autor: Axel Stangl, Product Sales Manager Power Supplies, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH |

Ohne Sensoren kein Internet der Dinge (IoT). Die Krux dabei: Sie benötigen Strom. Nicht viel zwar – aber ohne geht es nicht. Mit neuartigen Schaltreglern können Batterien die Sensoren erheblich länger mit Energie versorgen. Auch aus einer 4-20mA Schleife lässt sich dreimal mehr Strom gewinnen.

Viele IoT und Industrie 4.0 Anwendungen nutzen eine 3V Knopfzelle als günstige und zuverlässige Energieversorgung. Der Nachteil: Die Batterie muss häufig getauscht werden. Eine vollgeladene CR2032 Knopfzelle liefert ca. 3,2V, jedoch sinkt die Spannung bereits nach wenigen Stunden im Betrieb auf unter 3V. So kann die verfügbare Energie schnell unter das z.B. von Sensoren oder Funkmodulen benötigte Niveau sinken und deren Funktion bzw. Reichweite stark einschränken oder die Übertragung stören.

Um das zu vermeiden, generiert der Boost Schaltregler R-78S von Recom aus niedrigen Eingangsspannungen zwischen 0,65VDC und 3,15VDC eine stabile 3,3V Versorgung und holt so auch den letzten Rest Energie aus einer Batterie. Mit dem Plug & Play Schaltregler genügt eine 1,5V Batterie oder ein 1,5V Akku, um Sensoren, Mikroprozessoren, WLAN- und Bluetooth-Module oder IoT Systeme wesentlich länger mit Energie zu versorgen als mit einer herkömmlichen Knopfzelle.

Bei einer typischen Anwendung mit dem Schaltregler und Funkmodul [Abb. 2] ist die Schaltung immer nur kurz aktiv, um Sensor-Daten zu schicken, dann wechselt sie gleich wieder in einen Sleep Mode. So verbraucht die gesamte Schaltung kurzzeitig rund 600µW. Der Schaltregler R-78S wird über einen Pufferkondensator versorgt und verbraucht in diesem Zustand nur 7µA. Sinkt die Ladung des Kondensators unter einen Schwellwert, wird die Schaltung lediglich kurz zum Nachladen aktiviert. Das Ergebnis:

- Eine zuverlässige, wartungsfreie Betriebsdauer von weit über zehn Jahren

- Einsparungen bei Batterie- und Wartungskosten

 

Sensoren in festverdrahteten Systemen mit Energie versorgen

Bei festverdrahteten Systemen, v.a. in der Prozess- und Regeltechnik, hat sich die 4-20mA Schleife als Standard etabliert. Bei der modernen Version der 4-20mA Schleife werden die Daten mehrerer Sensoren mittels DSP aufbereitet und als frequenzmoduliertes Impulsbündel über eine einzelne analoge Leitung geschickt. Hierzu sind zwei HART Modems (Highway Addressable Remote Transducer) erforderlich, die die Datenpakete der Sensoren auf Seite des Transmitters dem analogen Signal überlagern und auf der Empfängerseite wieder sauber auskoppeln [Abb. 3]. So lassen sich ohne zusätzliche Schleifenkabel weitere Sensoren integrieren.

Der Strom unterhalb des Messbereichs von 4mA lässt sich zur Energiegewinnung nutzen, etwa um Sensoren zu versorgen. Diese Energie reicht allerdings nur für einen analogen Sensor, nicht für mehrere oder gar intelligente Sensoren (mit DSP und/oder Display) - kein Problem, wenn vor Ort eine Stromversorgung vorhanden ist. Befinden sich die zu versorgenden Sensoren weiter entfernt von der Leitstelle, ist der Aufwand meist relativ groß.

Herkömmliche Schaltregler-ICs eignen sich hierfür schon deshalb nicht, da sie bei Volllast zwar hoch effizient sind, aber schon bei geringer Last die Grenze von 4mA überschreiten. Dann hilft auch der niedrige Ruhestrom im Schlafmodus nicht weiter, weil dabei die Ausgangsspannung komplett abgeschaltet ist.

Auch Linearregler sind hierfür nicht optimal. Zwar liegt ihr Ruhestrom mit rund 0,5mA im grünen Bereich, aber durch den schlechten Wirkungsgrad ist die verfügbare Leistung der Linearregler etwa um den Faktor Drei niedriger als der von Schaltreglern.

Der Schaltregler R420-1.8/PL von Recom [Abb. 4] hat aufgrund einer neuartigen Topologie einen Leerlaufstrom von nur ca. 0,5mA, wobei am Ausgang die volle Nennspannung anliegt. So sind z.B. bei 24VDC und <3,5mA am Eingang am Ausgang 3.3V/10mA verfügbar. Das bedeutet, dass mit dem Schaltregler R420-1.8/PL nicht nur der Mikrocontroller und das HART Modem mit ausreichend Energie versorgt werden können, sondern auch die Sensoren - und zwar ohne die Funktionalität der Schleife oder die Messgenauigkeit zu tangieren.

Zudem kann der Schaltregler R420-1.8/PL durch seine einfache Beschaltung mit einem Widerstand für alle Ausgangsspannungen zwischen 1,8V und 5V programmiert werden.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.