Schaltungen, die (natürlich vorhandene oder künstlich eingebrachte) Energie aus ihrer Umgebung beziehen und in elektrische Energie umwandeln (“energy harvesting”) haben
in jüngerer Zeit grosses Interesse auf sich gezogen. Mit ihnen soll es zukünftig möglich sein, vor allem drahtlose Messgeräte energieautark zu betreiben. Ziel der vorliegenden
Arbeit ist die Optimierung von Schaltungen zur Energiegewinnung aus hochfrequenten
elektromagnetischen Feldern zur Versorgung von drahtlosen Sensorknoten und RFID-Transpondern.
Zu diesem Zweck wurde der Leistungsbedarf verschiedener drahtloser Geräte in verschiedenen Arbeitszuständen analysiert. Diese Analyse zeigt, dass sich die
Effizienz der Leistungsbertragung durch neuartige Übertragerschaltungen steigern lässt.
Zwecks besseren Verständnisses von Ladungspumpen-basierten Energiewandlern wurde ein analytisches Modell erstellt, dessen Kern eine kompakte Beschreibung der
Strom-Spannungs-Kennlinie von MOSFETs in starker Inversion und im Sub-Threshold-Betrieb darstellt. Die analytische Beschreibung zeigt die Auswirkungen des Leistungsbedarfs
am Ausgang auf die Eingangsimpedanz des Ladungspumpen-Gleichrichters,
welcher als Kernelement des Energiewandlers fungiert. Diese Eingangsimpedanz kann als Parallelschaltung eines Widerstands und eines Kondensators aufgefasst werden,
wobei sich der Widerstandswert dramatisch erhöht, wenn die am Ausgang des Wandlers abgegebene Leistung sich verringert. Die Kapazität bleibt dagegen annähernd gleich. Die
vorliegende Arbeit schlägt daher den Einsatz eines adaptiven Anpassungsnetzwerkes zwischen Gleichrichter und Antenne vor, um die Effizienz des Wandlers in Abhängigkeit
vom Leistungsbedarf des zu versorgenden Gerätes in verschiedenen Arbeitszuständen zu optimieren.
In passiven RFID-Transpondern ist keine Batterie eingebaut, sondern ein kleiner Speicherkondensator
mit einer Kapazität im Pikofarad-Bereich, der innerhalb von einigen Mikrosekunden aufgeladen werden und als Energiespeicher (Stützkondensator) dienen kann. Bei der Kommunikation zwischen RFID-Lesegerät und Transponder sendet das Lesegerät kontinuierlich ein hochfrequentes Trägersignal aus, welches der Energieversorgung des Transponders dient. Der Leistungsverbrauch eines RFID-Transponders
hängt stark von dem jeweils ablaufenden Vorgang ab. Um das Anpassungsnetzwerk elektrisch auf optimale Leistungsbertragung abzustimmen, wird eine gesonderte
Stromversorgung benötigt. Das stellt bei batterielosen Geräten eine zusätzliche Herausforderung
dar. Dieses Problem wird in der vorliegenden Arbeit so gelöst, dass ein Hilfsgleichrichter mit einer kleineren, konstanten Belastung eingesetzt wird, um die Regelung
des Anpassungsnetzwerkes zu versorgen.
Die vorgenannte Methode wird auch angewendet während der Aufladephase drahtloser Geräte, welche Superkondensatoren als Energiespeicher nutzen. Die Aufladephase
verlängert sich in diesem Fall aufgrund der groen Kapazität auf mehrere Stunden, und die Ladegeschwindigkeit wird zu einem kritischen Thema. Während des Aufladevorgangs
nähert sich die Ausgangsspannung des Gleichrichters asymptotisch an, während der Ladestrom exponentiell abklingt. Die für den Gleichgewichtszustand hergeleitete
Eingangsimpedanz stimmt in diesem Fall nicht ganz mit der tatsächlichen uberein, gibt aber immer noch einen sinnvollen Richtwert vor. Eine neuartige Anwendung eines adaptiven
Anpassnetzwerks während transienter Ladevorgängen wurde implementiert, um das Laden der Energiespeicher drahtloser Geräte zu beschleunigen. | German |