Wartungsfreie Mini-Geräte durch Ultra Low Power

Tragbare Geräte, die ohne Akkuladung und Batteriewechsel ein Leben lang funktionieren, sind der Traum in Medizin, Messtechnik, Unterhaltungselektronik, Sport und Freizeit. Verwirklichen lassen sie sich mit Ultra Low Power Systemen.

Nach 8,5 Jahren muss einem Herzschrittmacher-Patienten ein neues Implantat eingesetzt werden, weil die Batterie leer ist. Daher arbeiten Forscher fieberhaft daran, den Energieverbrauch des Herzschrittmachers so gering wie möglich zu gestalten. In der Medizintechnik aber auch bei vielen mobilen Applikationen wie Fernsteuerungen, Dataloggern, tragbaren Messgeräten sowie Sport- und Freizeitprodukten sind Komponenten mit einem extrem niedrigen Stromverbrauch gefragt. Entwickler arbeiten daher zunehmend an Low-Power- und Ultra-low-power-Systemen.

Eine Schlüsselkomponente hierbei ist der Microcontroller, der auch zu den höchsten Stromverbrauchern zählt. Er erfasst Messdaten, verfügt über einen Regelungsalgorithmus und steuert Signale. Seine Leistungsaufnahme und sein Energiebedarf beeinflussen erheblich die Batterielebenszeit. Im Sleep-und Deep-Sleep-Modus, also ohne Verwendung der CPU, lässt sich der Leistungsverbrauch auf ein Minimum reduzieren. Aktiv sind in dieser Betriebsart beispielsweise Power-On-Reset, Brown-Out-Detection und Real-Time -Clocks. Analoge Funktionen wie Brown-Out-Detection sind entsprechend dafür verantwortlich, dass Strom verbraucht wird.

Kann eine Funktion nicht auf die CPU verzichten, sollte die Rechenzeit so kurz wie möglich sein, um wenig Strom zu verbrauchen. Entscheidend ist, viele Befehle pro Zeit abzuarbeiten. 32-Bit-Architekturen wie Cortex M3 und M0 zeichnen sich nicht nur durch mehr Rechenleistung aus, sondern auch durch eine effizientere Rechenweise wie 8-, 16- oder auch gewöhnliche 32-Bit-CPUs.

Einfluss auf den Energieverbrauch hat auch die Aufweckzeit vom Sleep-Modus zum aktiven Betrieb. Je schneller ein Mikrocontroller aufwachen kann, desto energieeffizienter ist er. Bei Fernbedienungen oder anderen tragbaren Geräten kommen auch Beschleunigungssensoren zum Einsatz, die den Moduswechsel aufgrund der Bewegung veranlassen.

Neben dem Mikrocontroller zählen die Anzeigeelemente, die in vielen tragbaren Geräten notwendig sind, zu den größten Stromverbrauchern. Entscheidend ist daher, Anzeigen zu verwenden, die einen möglichst geringen Energieverbrauch im dynamischen Betrieb und einen sehr niedrigen Strom zur Bilderhaltung haben.

Sozusagen perfekt arbeitet ein Ultra-Low-Power-System, wenn es mit erneuerbaren Energiequellen auskommt. Bei vielen mobilen Anwendungen ist das Sonnenlicht verfügbar, das photovoltaiktechnisch ausreicht, um Sport- und Fitnessmessgeräte zu betreiben. Industriellen und medizinischen Geräten steht häufig wenig Sonnenlicht zur Verfügung. Jedoch funktionieren Ultra-low-Power-Systeme teilweise bereits bei Strom, der mit künstlichen Lichtquellen erzeugt wird. Weitere Energiequellen sind thermoelektrische Elemente, Piezofolien oder RF Antennen.

Einen großen Schritt zum minimalen Energieverbrauch können auch neue Materialien bringen. Forscher an der Berkely-Universität konnten in ferroelektrischen Substanzen positive und negative Ladungen anlegen und die Spannung ohne eine äußere Spannungsversorgung halten. Traditionelle Transistoren stellen die Mikrocontroller-Basis dar und können aufgrund ihrer Wärmeentwicklung nicht weiter verdichtet und verkleinert werden. Erste kommerzielle Produkte zur weiteren Stromsenkung zum Beispiel mit ferromagnetischen Materialien sind bereits auf dem Markt.