2 ENERGY HARVESTER...

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1 Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 EINFÜHRUNG Micro Energy Harvesting Human Power ENERGY HARVESTER Quellen und Systemaufbau Elektronik und Funktechnik Solarzellen Photovoltaischer Effekt Charakterisierung Thermogeneratoren Peltier-Elemente Halbleiter-Thermogeneratoren Micropelt TEGs und Module Generelle Prinzipien Elektrodynamische Wandler Drahtlose Schalter Piezo-Wandler Piezo-Effekt Piezo-Elemente und -Module Piezo-Schaltungen Energie aus HF-Strahlung RF Energy Harvesting Powercast-Technologie... 43

2 8 Inhaltsverzeichnis 3 ENERGIESPEICHER UND KONVERTER Brennstoffzellen Batterien Aufbau und Funktion Typen im Überblick Akkumulatoren Daten von Akkumulatoren im Überblick Bleiakkumulator Nickel-Cadmium-Akkumulator Nickel-Metall-Hydrid-Akkumulator Lithium-Ionen-Akkumulator Lithium- Polymer-Akkumulator Ladeschaltungen und -regler Laderate Ladeschaltung für NiMH-Akkumulatoren Integrierte Ladeschaltkreise Shunt Controller LTC Kondensatoren Aufbau und Funktion Kapazität und elektrische Ladung Ladevorgänge Zusammenschalten von Kondensatoren Doppelschichtkondensatoren Super Caps Spannungswandler und Konverterschaltungen Linearregler Low Drop Out-Regler Ladungspumpen Charge Pumps Aufwärtswandler Boost Converter Ultra Low Boost Converter Abwärtswandler Buck Converter Energy Harvesting Module Energiesammler EH300-Module Funktionsbeschreibung EnerChip-Module Power Management-Logik... 77

3 Inhaltsverzeichnis 9 4 MIKROCONTROLLER Einführung Architekturen Von-Neumann- und Harvard-Architektur CISC und RISC Adressierungsarten Mikrocontroller-Ausstattungsmerkmale A/D-Converter Sukzessive Approximation: Wägeverfahren, Annäherungsverfahren Flash Converter Parallel-Wandler Slope Wandler Rampen-Verfahren, Ratiometrische Umsetzung Sigma Delta Charge Balance D/A-Converter PWM-Output UART, USART I 2 C-Bus Serial Peripheral Interface SPI JTAG-Interface Interrupt-Logik DMA-Logik Watchdog Brown Out Detection Microchip-Mikrocontroller Architektur und Merkmale Oszillatoren Reset ICSP-Interface Programmspeicher Konfigurationsdaten Schreiben der Konfigurationsdaten PIC-Mikrocontrollerfamilien NanoWatt-Technologie Entwicklungsumgebung Atmel Mikrocontroller Architektur Controller-Familien im Überblick Power Save-Betriebsarten Entwicklungsumgebung

4 10 Inhaltsverzeichnis 4.8 MSP430-Mikrocontoller Architektur MSP430-Controllerfamilien Low Power Modes Entwicklungsumgebung und Programmierung Mikrocontroller Architektur ARM-Mikrocontroller ARM-Architektur und -Typen Cortex-Cores Cortex-M EFM32-Gecko Peripheral Reflex System Advanced Energy Monitoring Energy Aware Profiler Betriebsarten Energy Modes Entwicklungsumgebung TRANSPONDERSYSTEME RFID Induktive Energieübertragung Near Field Communication und RFID Transponder und Frequenzbereiche Elektrische Grundlagen Modulationsverfahren Codierungen Antikollision Praktische Umsetzungen Sensortransponder mit 125 khz Leseelektronik Transponder mit 13,56 MHz

5 Inhaltsverzeichnis 11 6 FUNKÜBERTRAGUNG Funktechnologien im Überblick Reichweiten Zugriffsverfahren Codierungen und Modulation Frequency Hopping Spread Spectrum FHSS Direct Sequence Spread Spectrum DSSS Orthogonal Frequency Diversion Multiplex OFDM Multiple Input Multiple Output MIMO IEEE IEEE Versionen WLAN-Topologien Roaming Wireless Sensor Nodes Bluetooth Piconet und Scatternet Standards IEEE Leistungsklassen und Protocol Stack Profiles Verbindungsaufbau und Sicherheitsmechanismen Bluetooth-Anwendungen Bluetooth Low Energy ZigBee IEEE und ZigBee Das ZigBee-Netzwerk Schaltungsentwicklung Aufbau von Sensor Nodes Stromverbrauch Sensoren Temperatur und Feuchtigkeit SHT Luftdruck SCP Helligkeit ISL Energiegewinnung und Spannungsversorgung EnOcean-Funktechnik Receiver Sensor Transmitter Transceiver Dolphin-Architektur Drahtlose Sensorapplikationen mit Energiemanagement

6 12 Inhaltsverzeichnis 6.10 Low Power RF-Designtechniken Modulationsverfahren Reichweite und Datenrate Transceiver CC FEC Interleaving Whitening Empfangssignalstärke RSSI Paketrahmen Wake-On-Radio Sende- und Empfangsvorgang Sendevorgang bei fester Paketlänge Empfangsvorgang bei fester Paketlänge Einstellen des Transceivers und Empfehlungen Antennen-Design SimpliciTI SimpliciTI Frame Application Programming Interface APPLIKATIONEN UND ANWENDUNGEN Thermogeneratorapplikation für die Anlagenüberwachung Thermogenerator Wärmeleitung Aluminiumbasis Thermogenerator Platine Kühlkörper Aluminiumblock Betriebstemperatur und Gesamtwärmewiderstand Spannungsversorgung Transmittersystem Sensoren Temperatursensor TMP Beschleunigungssensor ADXL Die Software Das System im Einsatz Vibrationsenergieversorgter Sensorknoten Mechanischer Balkenschwinger Aufbau des Energiewandlers Spannungswandler und Energiespeicher Mikrocontroller mit integriertem Transceiver Basisstation Ermittlung der gespeicherten Energie

7 Inhaltsverzeichnis Sensoren Temperatur TMP Luftdruck BMP Feuchtigkeit SHT Software-Entwicklung Sensorknoten Basisstation Einsatz und Energieverbrauch Drahtloses EKG-Messsystem Elektrokardiographie EKG-Erfassung Elektroden und Ableitkabel Störeinflüsse Hochfrequenzstörungen Hz-Störungen Niederfrequenzstörungen DC-Störungen EKG-Messverstärker Vorverstärker Differenzverstärker Hochpassfilter Tiefpassfilter Nachverstärker Bandsperre Energieversorgung Mikrocontroller und Software Timer Entwicklungsumgebung Programmablauf ANHANG Gehäusetypen mit ihren Abmessungen Der Umgang mit Dezibel Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis