ECT TEMPERATURUNTERSCHIED ALS ENERGIEQUELLE: Neuer DC/DC Wandler für den Betrieb batterieloser Funkmodule

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1 : Neuer DC/DC Wandler für den Betrieb batterieloser Funkmodule Temperaturdifferenzen haben einen hohen Energiegehalt: Ein Tropfen Wasser um 1 Grad abgekühlt enthält Energie für EnOcean Funktelegramme. Das ist genug Energie um nicht nur einen Funksensor, sondern sogar einige Funkaktoren zu betreiben. Die Energiegewinnung erfolgt dabei über Thermogeneratoren. Dipl.-Ing. Armin Anders, Mitgründer und Leiter Produktmanagement, EnOcean GmbH EnOcean hat im Jahr 2003 die ersten serientauglichen Energy Harvesting Funkprodukte auf den Markt gebracht. Diese waren entweder über Bewegungsenergie oder über Solarenergie versorgt. Im vergangenen Jahr wurde die dritte Generation, die Dolphin-Systemarchitektur gelauncht, die mittels eines hochintegrierten Chips nun auch bi-direktionale energieautarke Funkgeräte ermöglicht. Ab jetzt Sensoren auch aus Temperaturunterschieden betreiben zu können ist hochinteressant für zahlreiche Anwendungen: Im Bereich der Heizungs-, Klimaund Lüftungssteuerung, in der Prozessautomatisierung, in Fahrzeugen und sogar am menschlichen Körper. Beispielsweise fast alle Kessel und Rohrleitungen, durch die Flüssigkeiten oder Gase strömen, haben zumindest temporär Temperaturunterschiede gegenüber ihrer Umgebung. Warum aber wurde bei EnOcean so lange gewartet mit der Markteinführung eines Generators, der die Energiegewinnung aus Temperaturunterschieden erlaubt? Abb. 1: ECT 310 DC/DC Wandler - Funktion bereits ab 20 mv, entspricht 2 K Temperaturunterschied ECT 310 GRUNDPRINZIP Die Antwort ist einfach, die Energiegewinnung muss kostengünstig sein. Kostengünstige thermoelektrische Standard-Elemente gibt es beispielsweise in Kühltaschen. Dort wird der Boxeninhalt mittels Strom gekühlt, EnOcean dreht diesen Effekt einfach um: Durch den kühlen Inhalt wird ein Sensor mit Energie gespeist. Solche kostengünstigen Peltierelemente haben allerdings einen entscheidenden Nachteil: sie produzieren nur sehr kleine Spannungen rund 10 mv pro Grad Kelvin. Eine angeschlossene Elektronik, beispielsweise ein EnOcean-Sensormodul, braucht eine Versorgungsspannung von typisch 3V. Ein völlig neuarti- EnOcean Subject to modifications Armin Anders Nov 2010 Page 1/ 6

2 ges Wandlerkonzept musste erfunden und serientauglich gemacht werden: Der ECT 310 DC/DC Wandler von EnOcean, ein hochoptimierter selbstschwingender Oszillator, der bereits ab 10 mv Eingangsspannung zu schwingen beginnt. Ab 20 mv (also rund 2 C) wird bereits eine nutzbare Ausgangsspannung größer 3V erzeugt. Um den außergewöhnlich hohen Wandlerwirkungsgrad von 30% zu ermöglichen, wird im gesamten Eingangsspannungsbereich bis 500mV die Ausgangsspannung nur grob auf unterhalb von 5 V geregelt. Kein Problem für angeschlossene EnOcean-Module, diese sind gewohnt mit unregulierten Versorgungsspannungen umzugehen, beispielsweise von Solarzellen. Zentraler Bestandteil des ECT 310 ist die Spule in Abb. 1, ein Trafo mit hohem Übertragungsfaktor von 1:100. Die Abmessungen des in SMD Technik assemblierbaren ECT-Moduls betragen 16 x 16 x 5 mm. Abb. 2: ECT 310 Ausgangsspannung gegenüber Eingangsspannung THERMOVERSORGTER SENSOR ECT 310 MIT STM 312 Abb. 3 zeigt einen Prototyp eines autarken Sensors für Luftstromtemperatur. In der Rohrwand befindet sich das Peltier-Element, welches aus zwei quadratischen Keramikplatten mit einer Kantenlänge von 15 mm und einem Abstand von 4 mm besteht. Zwischen diesen sind spezielle Halbleiterübergänge angebracht. Die Innenseite wird mit einer dünnen Kupferfolie auf Luftstromtemperatur gebracht, auf der Außenseite sorgt ein Kühlkörper für Temperaturunterschied gegenüber der zweiten Keramikplatte. Die Luftstromtemperatur im Inneren des Rohres verursacht damit die Peltier-Spannung zu Versorgung des Sensors. Dieser ist gemäß Abb. 4 ganz einfach aufgebaut, auf Basis des all-in-one Funksensormoduls STM 312. Die STM 310 Familie ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau eines energieautarken Funksensors in Modulartechnik: Auf der Rückseite wird entweder der ECT 310 Wandler montiert oder eine Solarzelle. Es gibt Varianten flexibel mit Whip- oder Helixantenne, mit 868 MHz (Europa) oder 315 MHz (USA, Japan, China). Das all-in-one Modul integriert bereits den Energiespeicher und das Energiemanagement für typisch 4 Tage ohne Energiezufuhr. 3 analoge (z.b. 10/8/6 Bit) und 3 digitale Messeingänge werden an einem Stecker bereitge- EnOcean Subject to modifications Armin Anders Nov 2010 Page 2/ 6

3 stellt. Darüber hinaus hat das Modul einen Prozessor zur Datenverarbeitung inklusive Softwarestack für Funkprotokoll (Geräteprofile gemäß EEP 2.0 Spezifikation) und vordefinierter Firmware, die bei Bedarf durch den Anwender selbst applikationsspezifisch umprogrammiert werden kann, beispielsweise zur Vorverarbeitung der Sensordaten. Wichtig ist zu bemerken, dass die Energieversorgung komplett abgekoppelt ist von der Sensorik. Das bedeutet, die Energieversorgung erfolgt über Temperatur, gemessen werden kann aber eine völlig andere Prozessgröße, beispielsweise Druck oder Feuchte. Abb. 3: Autarker Sensor für Luftstromtemperatur Abb. 4: Blockschaltbild eines temperaturversorgten Funksensors THERMOBETRIEBENER AKTOR ECT 310 MIT STM 300 Die Ausgangsleistung des Thermogenerators in Abhängigkeit des Temperaturunteschiedes wird gezeigt in Abb. 5. Es sind zwei Kurven gezeichnet. Die gelbe Kurve bezieht sich auf den Temperaturunterschied direkt am Peltierelement, die blaue Kurve auf den Unterschied EnOcean Subject to modifications Armin Anders Nov 2010 Page 3/ 6

4 gegenüber der Umgebungstemperatur. Da ein Kühlkörper einen thermischen Übergangswiderstand und damit Energieverlust darstellt, liegt diese Kurve unterhalb der ersteren. Es ist nun beispielsweise abzulesen, dass selbst bei Verwendung eines Kühlkörpers bei einem Temperaturunterschied von nur 7 Grad bereits rund 100 μw Energie bereitgestellt wird. Ein typisches EnOcean Funkmodul, welches alle 2 Minuten zum Senden eines Funktelegramms geweckt wird, benötigt rund 5 μw. Damit bleibt mit 95 μw genug Energie übrig zur Versorgung einiger Aktoren, beispielsweise zur Steuerung von Wasserventilen, Luftklappen oder anderen mechanischen Komponenten. Das Blockschaltbild eines solchen Funkaktors ist gezeigt in Abbildung 6. Im Gegensatz zum all-in-one Modul STM 312 liegt beim hier verwendeten STM 300 der Schwerpunkt auf Anwendungsflexibilität. Neben der für Aktorik wichtigen bi-direktionalen Funkkommunikation ist die Ladeschaltung und damit die Dimensionierung der Energiespeicher flexibel ausgelegt. Entsprechende Hinweise sind dem STM 300 User-Manual zu entnehmen. Abb. 5: ECT 310 Ausgangsleistung in Abhängigkeit des Temperaturunterschiedes - rund 100 μw bei 7 C gegenüber Umgebung Abb. 6: Blockschaltbild eines thermobetriebenen bi-direktionalen Funkaktors - rund 5 μw Verbrauch ohne Aktorik (bei wake-up alle 2 Minuten) EnOcean Subject to modifications Armin Anders Nov 2010 Page 4/ 6

5 MECHANISCHE INTEGRATION DES PELTIER-ELEMENTS In Abb. 7 ist eine typische Integration eines low-cost Peltierelements zu sehen. Die Effizienz der Energieerzeugung hängt ab vom thermischen Übergangswiderstand zwischen der heißen und der kalten Seite des Peltierelements. Auf gute thermische Entkopplung der beiden Keramikplatten ist daher zu achten, beispielsweise durch Verwendung von geeignetem Kunststoff oder Styropor zur Isolierung. Die Abmessung des verwendeten Peltierelements sollte entsprechende Isoliermaterialdicken ohne größeren mechanischen Integrationsaufwand ermöglichen (z.b. das TEC2L von Eureca mit 15 x 15 x 5.6 mm). Bei Verwendung eines Kühlkörpers ist zu beachten, dass der effektive thermische Widerstand von der der Kühlkörpergeometrie und vom Wärmefluss der Umgebungsluft abhängt. Das ECT 310 ist unipolar ausgelegt, auf die richtige Polung des Peltierelements ist daher zu achten. Falls sowohl kalte als auch heiße Temperaturen gleichermaßen genutzt werden sollen, können zwei ECT 310 Module antiparallel an das Peltierelement angeschlossen werden. Abb. 7: Thermische Entkopplung der beiden Seiten des Peltierelements THERMO EVALUIERUNGSKIT EDK 312 Für die schnelle Evaluierung eines thermoversorgten Sensors kann das ECT 310 einfach auf die Rückseite des STM 312 gelötet werden. Alle benötigten Komponenten sind im EnOcean Evaluierungskit EDK 312 vorhanden: STM 312 all-in-one Funksensormodul mit integriertem Energiespeicher ECT 310 Ultra-Low-Voltage DC/DC Converter Peltierelement TEC2L Ausführliche Dokumentation Wegen der hohen Effizienz des Systems (Funktion bereits ab 2 Kelvin Temperaturdifferenz) kann der Funksensor nur durch Auflegen eines Fingers auf eine der Keramikplatten des Peltierelements bereits zum Senden gebracht werden. Hierbei muss die gegenüberliegende Keramikplatte natürlich auf einer etwas kühleren Oberfläche aufliegen. EnOcean Subject to modifications Armin Anders Nov 2010 Page 5/ 6

6 ZUSAMMENFASSUNG ECT 310 ist ein Ultra-Low-Voltage DC/DC-Wandler, entwickelt zur Versorgung von batterielosen EnOcean-Funkmodulen mittels thermischer Energie unter Verwendung von preisgünstigen Standard Peltier-Elementen. ECT 310 funktioniert bereits ab 20 mv, was einem Temperaturunterschied von rund 2 K entspricht und besitzt einen hohen Wirkungsgrad von 30 % bei 25 mv Eingangsspannung. Die Realisierung von thermoversorgten Funksensoren aber auch von drahtlosen Aktoren wurde aufgezeigt. PATENTSCHUTZHINWEIS Die EnOcean GmbH besitzt einen umfassenden Patentschutz im Bereich energieautarker Funksensorik. Eine Übersicht ist unter folgendem Link zu finden: Der Kauf von ECT 310 Wandlermodulen beinhaltet nicht das Recht, diese Komponente mit anderen Funktechnologien als den EnOcean Funkstandard zu betreiben. HAFTUNGSAUSSCHLUSS Die Informationen in diesem Dokument beschreiben typische Eigenschaften der EnOcean Funksysteme und sollten nicht als festgelegte Betriebsmerkmale missverstanden werden. Keine Haftung für Fehler und/oder Auslassungen. EnOcean behaltet sich das Recht vor, Änderungen ohne vorherige Ankündigung vorzunehmen. Die aktuellste Dokumentation finden Sie auf der EnOcean-Website unter EnOcean Subject to modifications Armin Anders Nov 2010 Page 6/ 6