Entwicklung und Aufbau eines autarken Funkmoduls zum Betrieb von Sensoren auf rotierenden Horizontal-Achsen-Systemen mittels Energy-Harvesting (PDF)

Diplomarbeit aus dem Jahr 2009 im Fachbereich Elektrotechnik, Note: 1.0, Universität Karlsruhe (TH) (IPEK Institut für Produktentwicklung), Sprache: Deutsch, Abstract: Diese Arbeit beschreibt nach einer eingehenden Recherche zum Stand der Technik des Energy-Harvesting die Entwicklung eines autarken Sensormoduls zum Betrieb von Sensoren auf rotierenden Horizontal-Achsen-Systemen. Dieses Sensormodul ist in der Lage Daten auf rotierenden Wellen aufzunehmen, zu verarbeiten und auf dem 2.4GHz ISM Band an einen Rechner zu senden, ohne dabei einer externen Energieversorgung zu bedürfen. Die Technologierecherche ist ein wichtiger Teil dieser Arbeit. Sie verschafft einen Überblick über den derzeitigen Stand des Energy-Harvesting in Funk-Sensor-Anwendungen. Dieser Überblick ist speziell für Entwickler von Condition-Monitoring-Systemen interessant. Das entwickelte Modul besteht aus einem induktiven Generator, einer Generatorbeschaltung mit Energiespeicher und einer Mikrocontrollereinheit mit Sensorsignalverstärker und Datenübertragungsmodul. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Energy-Harvesting und damit dem Generator und seiner elektrischen Beschaltung. Es wurde eine neuartige Schaltungstopologie entwickelt, welche einen guten Generatorausbeutegrad bei kleinem Schaltungsaufwand aufweist. Nachdem in Kapitel 2 der enorme Nutzen in der Anwendung dargelegt wird, wird die Frage beantwortet, weshalb Energy-Harvesting gerade jetzt in den Fokus der Entwickler tritt. In Kapitel 3 wird dann zunächst in das Gebiet Energy-Harvesting eingeführt und notwendige Definitionen festgelegt. Die verschiedenen Energiequellen, Generatoren, Wandlerprinzipien, Energiespeicher und Herausforderungen für Datenverarbeitung und -übertragung bei minimalem Energiebedarf werden erläutert. Die Batterie als Alternative wird analysiert, woraus sich die minimalen Anforderungen an ein Energy-Harvesting System ergeben. Die Arbeit behandelt die Entwicklung eines Generators und seiner elektrischen Beschaltung inklusive energiesparender Datenverarbeitung. Es wird gezeigt, dass das entwickelte System funktioniert.

This work provides an overview of the field of Energy Harvesting in wireless sensor module applications. It is especially interesting for those working on Condition Monitoring systems. The module consists of a generator, a power converting circuit and a microcontroller unit with signal amplification and conditioning. The emphasis of this work is on Energy Harvesting, namely the generator and its power converting circuit. A new circuit topology is proposed, improving the exploitation of the generator with a minimum amount of components.