Unsere Nachforschungen und Entwicklungen haben bewiesen, dass nicht nur ein winziger Strom aus den LEDs entzogen werden kann. Die Energiemenge reicht auch, um alle paar Minuten – abhängig vom Lichtverhältnis – Daten über ein proprietäres oder sogar standardisiertes Protokoll (z.B. Bluetooth Smart) zu übermitteln.
Unscheinbar, aber mit sehr hohen Ansprüchen
Es soll so klein sein, dass es nicht auffällt, so günstig sein, dass es sich jeder leisten kann, länger als 10 Jahre ohne Batteriewechsel funktionieren und nicht zuletzt Daten über einen vorhandenen und etablierten Standard liefern, damit es mit jedem Smart-Gerät funktioniert. Soviel zu den Anforderungen für zukünftige Sensorknoten des IoT (Internet of Things). Alle diese Anforderungen stellen jede für sich eine grosse Herausforderung dar, welche letztendlich unweigerlich durch Kompromisse überwunden werden muss. Der Entwickler oder Designer wird also dazu gezwungen, jede Anwendung bis ins kleinste Detail zu analysieren, um dann «den Rotstift» am richtigen Ort ansetzen zu können. Oder anders ausgedrückt, je höher die Anforderungen sind, desto «unikater» werden die Designs.
Zwei Varianten der Energieversorgung
Um autarke Systeme mit Energie zu versorgen, gibt es grundsätzlich zwei Varianten: Im herkömmlichsten Fall wird eine Batterie verwendet. Die ist zuverlässig und sehr einfach zu implementieren. Auf der anderen Seite ist die Laufzeit der Batterie beschränkt. Ist die Batterie einmal leer, muss diese ersetzt oder der komplette Knotenpunkt ausgetauscht werden. In unserem Fall wird die Energie direkt aus der Umgebung gewonnen, durch das sogenannte «Energy Harvesting» (Energieernten). Die Laufzeit ist nicht mehr beschränkt und der grosse Energiespeicher, die Batterie, wird überflüssig. Dies ist gerade bezüglich IoT und Umweltschutz ein schlagendes Argument, denn die Menge autark betriebener und vernetzter Sensoren wie auch Aktoren wird in naher Zukunft noch stärker zunehmen.
EH verlangt nach einem aufwendigen Energiemanagement
Die hier berechtigte Frage ist, weshalb Energy Harvesting (EH) als Batterieersatz bisher im Alltag noch selten bis gar nie zu finden ist. Eine Ausnahme ist der Taschenrechner, welcher schon seit Jahren mit einer Solarzelle die Batterielaufzeit verlängert, wenn nicht gar die Batterie ersetzt. Der Grund liegt darin, dass der Aufwand, welcher EH mit sich bringt, enorm gross und daher auch sehr teuer ist, sodass in der Vergangenheit viel versprochen wurde, jedoch bis jetzt sehr wenig ersichtlich ist. EH beinhaltet ein komplexes und wesentlich aufwendigeres Energiemanagement als batteriebetriebene Systeme. Vorher stellt sich aber noch die Frage der Energiequelle. Welche ist vorhanden und wie zuverlässig ist diese? Zwei Gründe, weshalb EH nicht nur kostenintensiv, sondern auch nicht überall die Batterie ersetzen kann.
Beim Kostenkapitel kommen LEDs ins Spiel
Um Energy Harvesting zu betreiben, müssen gemäss dem letzten Abschnitt die Kosten stark gesenkt werden, um kostengünstiger als die Verwendung von Batterien zu werden. Ein Weg um Kosten zu reduzieren ist, dass man sich Produkten bedient, welche sich im Markt bereits stark etabliert haben und in sehr grossen Stückzahlen hergestellt werden. Und genau hier kommt die Leuchtdiode, die LED, zum Zug. Da der prinzipielle Aufbau derselbe ist, können LEDs auch in umgekehrter Richtung betrieben werden, also wie eine Solarzelle. Natürlich ist die LED gegenüber Solarzellen, was die Stromerzeugung betrifft, sehr ineffizient, jedoch macht sie diesen Nachteil durch das erheblich grössere Produktionsvolumen, und deshalb günstigeren Preisen, wieder wett.
Die letzte Frage bezieht sich dann auch gerade auf die Ladungsmenge, welche aus drei bis fünf LEDs entzogen werden kann. Als erste Voraussetzung muss eine einfache Ungleichung erfüllt sein: Ladestrom ist grösser als die Summe der Ruhe- und Leckströme aller angekoppelter Komponenten. Solange diese Ungleichung erfüllt ist, ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis genügend Ladung gesammelt worden ist, bis ein Prozess gestartet wird. Hier gilt: Je grösser der Prozess, desto länger muss geladen werden, bevor dieser gestartet werden kann.
Erfolgreiche Datenübertragung im Ein- bis Zweiminutentakt
Das Blockdiagramm der Schaltung zeigt die wichtigsten Komponenten: ASICs, sprich Mikrocontroller, Radio und Power-Management. Mikrocontroller und Radio wurden beide auf der Hardware-Ebene für die Applikation optimiert. Der Powermanagement-Block spielt die zentrale Rolle. Er erlaubt eine hochohmige Trennung des Energieerzeugers, inkl. Speicher, zum Rest der Schaltung. Das ist der wesentliche Punkt, um kleine Ströme zu einer grossen Ladung zusammenzutragen, die für den auszuführenden Prozess genügt. Es gelang, den selbstentwickelten Sensorknotenpunkt auf einem Fenstersims bei indirekter Sonneneinstrahlung mit vier LEDs zu betreiben. Dabei liess sich ein BLE-Advertising-Paket im Ein- bis Zweiminutentakt problemlos übertragen.
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