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Energieautarke Funkschalter Wartungsfreier Schalter reagiert auf seine Umwelt

| Autor / Redakteur: Arno Erzberger * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein energieautarker Schalter, der auf seine Umwelt reagiert und ohne Energie auskommt. Die von Cherry entwickelte Lösung basiert auf dem Prinzip des Energy Harvestings und kommt ohne Kabel aus.

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Evaluierungs-Kit: Für applikationsnahe Design-in-Tests bei Kunden ist auf Basis der Trägerfrequenz 868 MHz ein Evaluation Kit aus Funkschalter, Empfänger und Testsoftware von Cherry verfügbar
Evaluierungs-Kit: Für applikationsnahe Design-in-Tests bei Kunden ist auf Basis der Trägerfrequenz 868 MHz ein Evaluation Kit aus Funkschalter, Empfänger und Testsoftware von Cherry verfügbar
( Cherry)

Funktion ohne Hilfsenergie, so kann man Energy-Harvesting kurz zusammenfassen. Anstatt eine Hilfsenergie durch eine integrierte Energiequelle zu erzeugen oder über eine externe Energieversorgung zuzuführen, wird Energie gewandelt, die in der Umgebung zur Verfügung steht oder die auf das System einwirkt. Somit ist ein Energy-Harvester physikalisch betrachtet ein Energiewandler.

Die Idee des Energy-Harvesting ist nicht neu. Als altbekanntes Beispiel lässt sich die Sonnenuhr anführen. Die Stellung der Sonne dient als Maß für die Uhrzeit und gleichzeitig wird die Lichtenergie der Sonne dafür verwendet, die Uhrzeit anzuzeigen, ohne dass hierfür eine Hilfsenergie zugeführt werden muss. Die Sonnenuhr arbeitet somit energieautark.

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Das Funkschaltersystem im Überblick

Die 1. Generation des Funkschaltersystems von Cherry versendet beim Betätigen Funkprotokolle mit folgenden Eigenschaften:

  • 2 unabhängige fünffach redundante Funkpakete (eines beim Drücken und eines beim Loslassen des Schalters)
  • Sendeleistung: typisch 10 mW, maximal 25 mW
  • Nettosendedauer: 2 x 10 ms
  • Modulationsart: bevorzugt FM, alternativ AM
  • Kodierung: Manchester oder NRZ

Zusätzlich lassen sich folgende Optionen je nach Kundenwunsch umsetzen:

  • Trägerfrequenz: 868 MHz, 915 MHz und 2,4 GHz (weitere auf Anfrage)
  • unterschiedliche Datenraten
  • Mehrfachsendung von Funkprotokollen
  • Hohe Übertragungssicherheit durch Frequenzhopping (Wechsel der Sendekanäle in einem Trägerband)
  • Bidirektionale Kommunikation (zeitlich beschränkt durch die Energieverfügbarkeit)
  • Monostabiles oder bistabiles Schaltverhalten
  • Erkennung der Betätigungsrichtung
  • Mehrkanaliges Schalten
  • Einfache und preiswerte Integration eines Funkempfängers in eine vorhandene Kundenelektronik auf Basis eines Standard-Funkempfängerbausteins

In der 2. Generation sollen dann weitere Optionen verfügbar sein:

  • Direkte Kompatibilität zu KNX-RF Netzwerken auf Basis von ETS
  • anspruchsvolle Protokollcodierung
  • erweiterte bidirektionale Kommunikation
  • Mehrfachsendung auch von komplexen Funkprotokollen
  • erhöhte Designfreiheit für längere Sendepausen
  • erweitertes Frequenzhopping
  • dDynamische Impedanzanpassung im Energieerzeuger

Die Triebfeder für die starke Zunahme an Energy-Harvester-Lösungen ist die zunehmende Verfügbarkeit preiswerter Low-Power-Elektronikkomponenten. In einer Produktumgebung, in der immer mehr Informationen mobil und vielfach vernetzt verteilt werden, ist der Einsatz von Energy-Harvestern besonders attraktiv.

Per se wird für die Übertragung von Daten und Informationen zunächst mal keine Energie benötigt, da grundsätzlich keine Arbeit verrichtet wird. Real ist jedoch immer eine Übertragungsenergie notwendig, diese kann aber in optimierten Systemen sehr gering sein und somit ist der Einsatz von Energy-Harvestern für die Informationsübertragung sehr gut geeignet.

Energieautarkes Funkschaltersystem ohne Kabel

Ein typisches Beispiel für einen solchen Systemansatz ist ein energieautarkes Funkschaltersystem. Ein Funkschaltersystem auf Basis eines Energy-Harvesters wandelt die mechanische Eingangsenergie der Schaltbetätigung in elektrische Energie um, die beispielsweise über eine Funkelektronik eine Schaltinformation an einen Funkempfänger übermittelt. Die Vorzüge dieses Systems bestehen darin, einen Schalter ohne Verkabelung an einer beliebigen Stelle anzubringen, wo dieser wartungsfrei und ohne Batteriewechsel über seine komplette Lebensdauer seine Funktion erfüllt. Der Funkschalter wird mit verschiedenen Eingangsgrößen gespeist und ist in der Lage, auf seine Umgebung zu reagieren.

  • Eingangsgrößen: Betätigungskraft und Betätigungsweg
  • Ausgangsgrößen: Funksignal, energetisch beschrieben durch Sendeleistung und Sendedauer
  • Umgebungsbedingungen: Temperaturbereich, Störsignale, Schaltzyklen…
  • System-Nebeneigenschaften: wie beispielsweise ein Betätigungsgeräusch

Die Systemdarstellung mit den vier Größen lässt sich in zwei Hauptsysteme unterteilen:

  • Hauptsystem Versorgungsspannung: Spannung, verfügbare Zeit
  • Hauptsystem Verbraucher: Lastimpedanz (konstant bis hoch dynamisch)

Diese beiden Hauptsysteme lassen sich weiterhin in insgesamt fünf Teilsysteme untergliedern:

  • Betätigungsmechanik
  • Energiewandlung (mechanisch/elektrisch)
  • Energiemanagement
  • Funkelektronik
  • Antennensystem

Die Betätigungsmechanik führt die Schaltbetätigung durch geeignete Umlenkungen in die für den Energiewandler benötige Kraft, Weg und Richtung über. Der Energiewandler besteht aus einem elektromagnetischen Generator. Dieser ändert durch die schlagartige Verschiebung eines Magneten den magnetischen Fluss in den Spulen und erzeugt einen elektrischen Impuls beim Betätigen und einen weiteren beim Loslassen des Funkschalters.

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Im Energiemanagement wird die so erzeugte elektrische Energie kurzzeitig gespeichert und durch eine Spannungskonverter-Einheit möglichst verlustarm in eine vorgegebene Versorgungsspannung überführt (1,8 V). Mit dieser Versorgungsspannung wird der Verbraucher, hier eine Funkelektronik, gespeist, die die eingeprägten Funkprotokolle mit den Nutzinformationen über das Antennensystem an einen Empfänger versendet.

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Beispiel einer LED-Lampensteuerung

Das Funkschaltersystem wurde zusammen mit NXP für eine LED-Lampensteuerung umgesetzt. Basierend auf den Generator der 1. Generation wird mit einem Energiemanagement der Funk-Chip JN516x von NXP betrieben. Durch Betätigen oder Loslassen wird jeweils ein Energiepaket erzeugt, das ein Funkprotokoll mit den Informationen Ein/Aus/Dimmen in fünf redundanten Datenpaketen überträgt. Die Basis ist ZigBee Green Power mit einer Trägerfrequenz von 2,4 GHz. Als Empfänger dient der Funk-Chip von NXP. Der Chip lässt sich in jeder Elektronik integrieren und ermöglicht somit eine Empfangsfunktion mit digitaler Datenübertragung. Auf Seite 48 sind eine Funkschalterausführung, der NXP-Funk-Chip und die LED mit integriertem Funkempfänger-IC dargestellt.

Die Herausforderung besteht darin, alle beschriebenen Teilsysteme so auszulegen, dass die eingebrachte mechanische Energie ausreicht, um ein Funkprotokoll mit vorgegebener Performance zu versenden. Die grundsätzliche Größe, welche die Leistungsfähigkeit des Systems beschreibt, ist der Wirkungsgrad des Energiewandlers:

  • Wirkungsgrad = Ausgangsenergie/Eingangsenergie
  • Wirkungsgrad Generator 1. Generation = 15% (aktueller Serienstand)
  • Wirkungsgrad Generator 2. Generation ≥ 30 bis 40% (in Entwicklung)

Eine begrenzte Energiemenge optimal ausnutzen

Zusätzlich geht der Wirkungsgrad des Energiemanagements multiplikativ in den Gesamtwirkungsgrad des Systems mit ein. Dieser Wirkungsgrad ist hauptsächlich dadurch bestimmt, wie umfangreich das Energiemanagement ausgelegt wird. Somit ist dieser Wirkungsgrad vor allem durch die Kosten für den Schaltungsaufbau bestimmt und kann auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Hier sind Wirkungsgrade von 70% und mehr erreichbar. Dies ist hauptsächlich von den verwendeten Speicherelementen und Spannungskonverter-Bauteilen abhängig. Am Ende dieser Kette ist das Hauptsystem energieautarke Spannungsversorgung abgeschlossen. Die weiteren Eigenschaften des Gesamtsystems hängen vom Hauptsystem Verbraucher ab, im Falle des Funkschalters von der Funkelektronik mit dem Antennensystem. Im Gegensatz zu konventionellen elektronischen Systemen mit Hilfsenergie, müssen hier eine Vielzahl von Wechselwirkungen berücksichtigt werden, um die begrenzte verfügbare Energiemenge möglichst optimal auszunutzen.

Mehrere Wechselwirkungen berücksichtigen

Dies kann man in den folgenden wesentlichen Punkten zusammenfassen: Die einzelnen Komponenten müssen einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, da der Gesamtwirkungsgrad durch Multiplikation der Einzelwirkungsgrade dargestellt wird. Neben den Grundwirkungsgraden der Teilsysteme und energieführenden Komponenten, müssen die Bestandteile bezüglich deren Impedanz aufeinander abgestimmt sein - auch für zeitlich wechselnde bis hoch dynamische Lastzustände. Die Reaktionszeit der energieführenden Komponenten für das Aktivieren und Deaktivieren muss sehr kurz sein. Es ist ein zeitliches Management für den schnellen und verlustarmen Wechsel von Funktions- zu Pausen- und Schlafzuständen und umgekehrt vorzusehen.

Die Auslegung des Kurzzeitspeichers muss nach den Anforderungen des Verbrauchers, wie der Funkelektronik, erfolgen. Der Speicher muss optimal auf folgende sich wechselseitig beeinflussende Eigenschaften ausgelegt sein: Spannungsbereich Energiewandler, Energiemenge, Nennspannung des Verbrauchers, Aufladeverlust, Entladeverlust, Selbstentladung, Lastimpedanz, zeitliches Lastverhalten des Verbrauchers, Temperaturverhalten oder nicht nutzbare Restenergie.

Es stellt sich die Frage, welche Arten und Anzahl von Spannungskonvertern inklusive der Eigenverluste eine maximale Energieausbeute für den jeweiligen Verbraucher ergeben. Bei der klassischen Schaltungsauslegung werden häufig Neben- oder Overhead-Verbraucher nicht optimiert. Das sind beispielsweise der Gesamtwiderstand einer Spannungsteilerschaltung, Umladeverluste von kapazitiven Bauteilen, Spannungsabfall an Halbleiterbauelementen oder Blindleistungsverluste.

* Arno Erzberger ist Produktmanager für energieautarke Funkschalterprodukte im Geschäftsfeld Elektronische Systeme der ZF Friedrichshafen AG.

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