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Die Realisierung dieser Vision erfordert jedoch Sensoren mit einem extrem niedrigen Leistungsbedarf, der einen monatelangen Betrieb ohne Batteriewechsel gewährleistet. Besser wäre jedoch, wenn die Sensoren die notwendige Energie zu 100 Prozent aus der Umwelt ziehen bzw. ernten könnten.
Während der kürzlich stattgefundenen «Symposia on VLSI Technology and Circuits» präsentierten Forscher vom MIT einen neuen Leistungsumsetzerchip, der in der Lage ist, mehr als 80 Prozent der auf ihn gerichteten Lichtenergie zu ernten – selbst bei den sehr geringen Leistungspegeln, die für winzige Solarzellen charakteristisch sind. Ältere Ultra-Low-Power-Schaltungen bringen es nur auf 40 bis 50 Prozent.
Eine Spule ist die hauptsächliche elektrische Komponente
Hinzu kommt, dass der MIT-Chip neben dieser Effizienzverbesserung noch weitere Funktionen übernimmt. Frühere Umsetzerschaltungen verwendeten eine Solarzelle, um entweder die Batterie zu laden oder aber eine Schaltung mit Energie zu versorgen. Der neue Chip übernimmt beide Funktionen und kann die angeschlossene Schaltung direkt von der Batterie aus mit Energie versorgen.
Alle diese Operationen teilen sich eine einzige Spule, die hauptsächliche elektrische Komponente des Chips. Dadurch spart man an Chipfläche, aber erhöht die Schaltungskomplexität weiter. Trotzdem bleibt der Stromverbrauch des neuen Chips sehr niedrig. Der Prototyp des Chips wurde im Rahmen des «University Shuttle Program» von der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company gefertigt. Das Bild zeigt den Prototyp des kleinen Chips. Der bildlich vergrösserte Chipteil zeigt die Controllerschaltung des Chips, einschliesslich der Startup-Elektronik. Der Controller bestimmt, ob die Batterie geladen werden soll oder eine Komponente mit Energie zu versorgen ist, oder beides. Hinzu kommt die Schalteranordnung, die den Stromfluss zur externen Induktivität steuert.
Begrenzung des Stroms verbessert die Effizienz
Die Hauptfunktion der neuen Schaltung ist die Regelung der Spannungen zwischen der Solarzelle, der Batterie und der zu versorgenden Komponente. Wenn die Batterie zum Beispiel zu lange mit einer zu hohen oder zu niedrigen Spannung arbeitet, bricht dessen chemische Reaktion zusammen und es kann keine Ladung mehr gespeichert werden.
Um den Stromfluss auf dem Chip zu steuern, benutzten die Forscher eine Induktivität. Sobald ein Strom durch die Spule fliesst, erzeugt es ein Magnetfeld, das wiederum Änderungen im Stromfluss behindert. Durch das Betätigen von Schaltern in der Spulenleitung wird sich die Spule alternativ laden und entladen. Damit steigt und fällt der Spulenstrom kontinuierlich. Die Begrenzung des Stroms verbessert die Effizienz der neuen Schaltung, da sich die abgestrahlte Energie als Wärme proportional zum Quadrat des Stromes verhält. Sobald der Strom auf Null zurückfällt, müssen die Schalter in der Spulenleitung sofort umgeschaltet werden, weil sonst der Strom damit anfangen würde, in der verkehrten Richtung durch die Schaltung zu fliessen. Das würde die Effizienz sehr stark reduzieren. Ein schwieriger Faktor ist in diesem Fall die Rate, mit der der Strom ansteigt und fällt.