Energy Harvesting für PICs: Betrieb durch Solar oder Vibration

Energy Harvesting für PICs eröffnet eine spannende Möglichkeit: Mikrocontroller-Projekte können dauerhaft oder sehr lange Zeiträume ohne Batteriewechsel betrieben werden – gespeist durch Umgebungsenergie wie Solar, Vibration (piezoelektrisch), Temperaturdifferenzen oder Funkenergie. In der Praxis bedeutet das nicht automatisch „kostenlose Energie“, sondern vor allem konsequentes Energiemanagement. Denn die verfügbare Leistung ist meist klein, stark schwankend und nicht jederzeit garantiert. Genau hier spielen PIC-Mikrocontroller ihre Stärken aus: Mit konsequentem Sleep-Design, Wake-up-on-Event und kurzen Aktivphasen lassen sich Systeme bauen, die mit wenigen Mikrowatt bis Milliwatt auskommen. Wer Energy Harvesting für PICs erfolgreich umsetzt, betrachtet das Gesamtsystem aus Erntequelle, Energiespeicher, Power-Management-IC, Firmware-Strategie und Lastprofil. Dieser Artikel erklärt Schritt für Schritt, wie Sie einen PIC über Solar oder Vibration versorgen können, welche Schaltungsprinzipien sich bewähren, wie Sie die Energiebilanz berechnen und wie Sie typische Fehler vermeiden – von der falschen Speicherwahl bis hin zu Firmware, die zu lange wach bleibt.

Grundprinzip: Energie ernten, speichern, dosiert verbrauchen

Ein Energy-Harvesting-System besteht fast immer aus denselben Blöcken:

• Erntequelle: Solarzelle, piezoelektrischer Wandler, TEG (Thermoelektrik) oder ähnliche.
• Power-Management: Gleichrichtung, DC/DC-Wandler, Ladeschaltung, Schutzfunktionen, ggf. MPPT.
• Energiespeicher: Superkondensator, Li-Ion/LiFePO4, Primärzelle als Backup, oder Hybrid.
• Last: PIC-Mikrocontroller plus Sensorik, ggf. Funkmodul und Anzeige.

Der zentrale Gedanke ist: Die Erntequelle liefert im Mittel wenig Energie, dafür (teilweise) kontinuierlich. Die Last braucht oft kurzzeitig deutlich mehr Leistung, z. B. beim Messen oder Senden. Der Speicher puffert diese Unterschiede. Damit der Betrieb stabil bleibt, muss die Firmware „energie-aware“ werden: Sie führt Aufgaben nur dann aus, wenn genügend Energie im Speicher vorhanden ist.

Die wichtigste Rechnung: Leistung, Energie und Zeit verstehen

Damit ein Harvesting-Projekt nicht im Trial-and-Error endet, lohnt sich eine einfache Energiebilanz. Leistung ist Energie pro Zeit. Für Embedded-Systeme hilft es, sowohl in Mikrowatt als auch in Mikrojoule zu denken.

$P=U\times I$

Wenn ein PIC im Sleep nur wenige Mikroampere zieht und bei 3,3 V betrieben wird, ist die Sleep-Leistung entsprechend klein. Entscheidend wird dann die Energie pro Aktivereignis (z. B. Sensor messen und Funktelegramm senden):

$E=P\times t$

Für die Planung ist die Durchschnittsleistung entscheidend: Ist die mittlere Ernte-Leistung größer als die mittlere Verbrauchsleistung, ist Dauerbetrieb möglich. Ist sie kleiner, muss das System seltener aktiv werden oder auf einen größeren Speicher zurückgreifen.

Speicherwahl: Superkondensator, Akku oder Hybrid?

Der Energiespeicher entscheidet über Startverhalten, Robustheit und Lebensdauer. Die typische Auswahl:

• Superkondensator (Supercap): sehr viele Ladezyklen, hoher Strom möglich, einfaches Laden – aber höhere Leckströme und begrenzte Energiedichte.
• Lithium-Akku (z. B. Li-Ion/LiPo, LiFePO4): hohe Energiedichte, längere Dunkelphasen überbrückbar – aber Lade-/Schutzanforderungen, begrenzte Zyklenzahl.
• Hybrid: Supercap für schnelle Spitzen, Akku für Langzeitpuffer. Sehr effektiv, aber komplexer.

Energie im Kondensator berechnen

Beim Supercap ist die gespeicherte Energie direkt über Kapazität und Spannung berechenbar. Das hilft enorm bei der Dimensionierung:

$E=\frac{C\times U^2}{2}$

In der Praxis nutzen Sie nicht die volle Energie, weil der Spannungsbereich begrenzt ist: Unterhalb einer Mindestspannung funktioniert der PIC nicht mehr (oder nur noch eingeschränkt). Deshalb wird häufig ein DC/DC-Wandler eingesetzt, der die Lastspannung stabil hält, während die Speicherspannung langsam abfällt.

Solar Energy Harvesting: Von der Zelle zum stabilen PIC-Betrieb

Solar ist die zugänglichste Harvesting-Quelle: kleine PV-Zellen sind günstig, liefern bei Licht relativ gut nutzbare Leistung und sind leicht zu integrieren. Die Herausforderung ist die große Schwankung zwischen direkter Sonne, Innenraumlicht und Dunkelheit.

Typische Solar-Architekturen

• Solarzelle → Lade-IC → Speicher (Supercap/Akku) → DC/DC → PIC
• Solarzelle → DC/DC mit MPPT → Speicher → LDO/DC/DC → PIC
• Solarzelle → Speicher direkt (bei passender Spannung) → PIC (mit BOR/WDT-Konzept)

In vielen Designs ist ein MPPT-Ansatz (Maximum Power Point Tracking) sinnvoll, weil Solarzellen je nach Licht einen optimalen Arbeitspunkt haben. Ein Power-Management-IC kann diesen Arbeitspunkt approximieren und so mehr nutzbare Energie aus der gleichen Zelle holen.

Innenraumlicht ist eine andere Welt

Für Projekte, die „im Gebäude“ laufen sollen, ist Solar schwieriger als viele erwarten: Innenraumlicht liefert deutlich weniger Leistungsdichte als Sonnenlicht. Das bedeutet nicht, dass es unmöglich ist – aber die Firmware muss noch konsequenter schlafen, die Aktivität seltener sein und Sensor/Funk müssen auf Minimalbetrieb optimiert werden.

Vibration Energy Harvesting: Piezo, Resonanz und Gleichrichtung

Vibrations-Harvesting nutzt mechanische Energie – oft über piezoelektrische Wandler oder elektromagnetische Generatoren. Solche Systeme sind besonders interessant in industriellen Umgebungen (Maschinen, Motoren), an Fahrzeugen oder in Anlagen, in denen Bewegung ohnehin vorhanden ist.

Warum Vibration nicht „einfach“ ist

• Resonanzabhängig: Viele piezoelektrische Harvester liefern nur nahe ihrer Resonanzfrequenz nennenswerte Leistung.
• AC-Ausgang: Piezo erzeugt häufig eine Wechselspannung, die gleichgerichtet werden muss.
• Hohe Spannung, kleiner Strom: Typisch sind hohe Leerlaufspannungen, aber begrenzte Stromlieferfähigkeit.
• Starke Schwankungen: Stillstand = keine Energie. System muss „brownout-sicher“ sein.

Ein gutes Power-Management-Design ist hier besonders wichtig: Gleichrichtung (idealerweise verlustarm), Energiespeicherung und ein effizienter DC/DC-Wandler, der auch bei niedriger Eingangsleistung sinnvoll arbeitet.

Power-Management-ICs: Die „unsichtbare“ Hauptkomponente

In Energy-Harvesting-Projekten entscheidet der Power-Management-IC oft mehr über Erfolg oder Misserfolg als der Mikrocontroller. Typische Funktionen:

• Gleichrichtung und Eingangsanpassung (besonders bei piezoelektrischen Quellen)
• Laderegelung für Supercap oder Akku inkl. Spannungsbegrenzung
• DC/DC-Wandlung mit gutem Wirkungsgrad im Leichtlastbereich
• Unterspannungs- und Überspannungsschutz
• Power-Good/Undervoltage-Signale zur Firmware-Steuerung

Für PIC-Projekte ist ein „Power-Good“-Signal extrem nützlich: Der PIC kann daran erkennen, ob genug Energie vorhanden ist, um eine Aktion sicher zu Ende zu führen. Damit verhindern Sie, dass ein Funkpaket mitten im Senden abbricht oder ein EEPROM-Write unvollständig bleibt.

Firmware-Strategie: Energiemanagement als Zustandsautomat

Ein typischer Fehler ist, die Firmware wie bei einem batteriebetriebenen System zu schreiben („alle 10 Sekunden messen und senden“) und zu hoffen, dass Harvesting das schon liefert. Besser ist ein energy-aware Zustandsautomat, der Aktionen an die verfügbare Energie koppelt.

Bewährte Zustände in Harvesting-Firmware

• Boot/Recovery: Minimalstart, Pins definieren, Peripherie aus, Energiezustand prüfen.
• Charge/Sleep: Tiefschlaf, bis Speicher-/Power-Good-Schwelle erreicht ist.
• Measure: Sensor kurz aktivieren, messen, Daten in RAM puffern.
• Process: Plausibilisieren, filtern, komprimieren.
• Transmit/Store: Nur wenn genug Energie vorhanden ist; sonst später.
• Back to Sleep: Peripherie aus, Flags löschen, definierter Sleep.

Wichtig ist die Idee der „Energie-Schwellen“: Bestimmte Aktionen werden erst ab einer Mindestspannung oder Mindestenergie im Speicher erlaubt. So vermeiden Sie instabile Teilschritte.

Aufgabenplanung: Wie oft messen, wie oft senden?

Energy Harvesting verlangt pragmatische Entscheidungen: Jede Aktivität kostet Energie. Besonders teuer sind Funkübertragungen und lange Sensor-Warm-ups. Optimieren Sie daher:

• Messintervall: so selten wie möglich, so oft wie nötig.
• Sendeintervall: Daten bündeln (Batching) und nur senden, wenn es sinnvoll ist.
• Schwellwert-Logik: Nur senden, wenn sich Messwerte relevant ändern.
• Fallback: Wenn Energie knapp ist, auf Minimalmodus schalten (nur messen, nicht senden; oder nur selten messen).

Durchschnittsleistung grob abschätzen

Wenn Sie pro Zyklus eine feste Energiemenge verbrauchen, können Sie aus dem Zyklusintervall die mittlere Leistung abschätzen:

$P\_\mathrm{avg}\approx \frac{E\_\mathrm{cycle}}{T\_\mathrm{cycle}}$

Das ist besonders hilfreich, um zu prüfen, ob Ihre Solarzelle oder Ihr Vibrationsharvester im Mittel genug liefert – bevor Sie das Layout finalisieren.

Brown-out, Reset und Datenintegrität: „Unsaubere“ Energiequellen beherrschen

Harvesting-Systeme erleben häufiger Unterspannungsphasen, weil die Energiequelle schwankt und der Speicher begrenzt ist. Dadurch entstehen spezifische Risiken:

• Reset-Schleifen: Spannung steigt kurz an, PIC startet, Spannung bricht ein, Reset – wiederholt sich.
• Halbfertige Speicheroperationen: EEPROM/Flash-Schreibvorgänge dürfen nicht unterbrochen werden.
• Funkabbrüche: Übertragung startet, endet nicht – kostet Energie ohne Nutzen.

Gegenmaßnahmen:

• Power-Good verwenden: Aufgaben nur starten, wenn Energie sicher reicht.
• Checkpointing: Kritische Daten nur atomar schreiben oder mit Commit-Markern absichern.
• Boot-Minimalmodus: Nach Reset zuerst Energie sammeln, dann erst „teure“ Funktionen aktivieren.
• Konservative Schwellen: Nicht bis zur letzten Millivoltgrenze arbeiten.

Hardware-Details: Dioden, Gleichrichtung, Leckströme und Bauteilauswahl

In Mikroampere- und Mikrowatt-Systemen sind Bauteildetails entscheidend. Typische Punkte, die in „normalen“ Designs kaum auffallen, hier aber dominieren können:

• Leckströme: Dioden, Kondensatoren und Schutzbauteile können Leckströme im µA-Bereich haben.
• Schottky vs. ideal diode: Schottky-Dioden haben niedrige Vorwärtsspannung, aber teils höhere Leckage; ideal-diode-Controller sind effizienter, aber komplexer.
• Kondensatorwahl: Supercaps haben oft nennenswerte Leckage; Keramikkondensatoren sind sehr gut, aber nicht als großer Energiespeicher geeignet.
• PCB-Sauberkeit: Flussmittelreste und Feuchtigkeit können Kriechströme verursachen, die Ihren Sleep-Verbrauch ruinieren.

Sensorik und Schnittstellen: Kurz aktivieren, konsequent abschalten

Damit Energy Harvesting wirklich funktioniert, müssen Sensoren und Peripherie auf „Duty-Cycle“ umgestellt werden:

• One-Shot statt Continuous: Sensor nur zur Messung einschalten.
• Power-Gating: Sensorversorgung über MOSFET/Load-Switch schalten, wenn Standby zu teuer ist.
• Bussysteme ruhigstellen: I2C/SPI-Pins definieren, Pull-ups nicht unnötig niederohmig wählen.
• Keine Dauer-LEDs: Statusanzeigen nur kurz oder per Low-Duty-Cycle.

Gerade bei Funkmodulen lohnt sich eine klare „On/Off“-Architektur: Modul vollständig schlafen oder stromlos, nur kurzzeitig aktiv, dann wieder aus.

Testen und Messen: Ohne Stromprofil kein belastbares Ergebnis

Energy Harvesting wirkt oft „instabil“, wenn die Messmethodik nicht passt. Prüfen Sie daher:

• Stromprofil über Zeit: Sleepstrom, Aktivspitzen, Wiederholrate der Peaks.
• Speicherspannung: Verlauf beim Laden/Entladen, Schwellen für Aktionen.
• Startverhalten: Kaltstart aus leerem Speicher, Verhalten bei schwachem Licht oder geringer Vibration.
• Fehlerszenarien: Was passiert, wenn mitten in einer Aktion die Energie wegbricht?

Ein bewährter Ansatz ist eine Testfirmware, die Energiezustände (z. B. Spannung, Power-Good, Wake-Grund) protokolliert und in Minimalmodi wechselt, statt dauerhaft „zu versuchen“, eine teure Aktion zu Ende zu bringen.

Typische Anwendungsfälle: Wo Energy Harvesting für PICs besonders sinnvoll ist

• Wartungsfreie Sensorsysteme: Temperatur, Feuchte, Vibration, Zustandsüberwachung in Gebäuden oder Anlagen.
• Maschinennahe Sensoren: Vibration als Energiequelle, Daten lokal vorverarbeiten, selten senden.
• Outdoor-Logger: Solarzelle + Supercap/Akku, Tag/Nacht-Zyklus, wetterfestes Design.
• Event-basierte Systeme: PIC schläft fast immer, wacht nur bei Ereignis auf (Türkontakt, Taster, Bewegung).

Outbound-Links für weiterführende Informationen

• Energy Harvesting – Grundlagen und Überblick
• Photovoltaik – Funktionsprinzip und Kenngrößen
• Piezoelektrizität – Basis für Vibrations-Harvesting
• Superkondensator – Eigenschaften, Vorteile und Grenzen
• Microchip Mikrocontroller – PIC-Familien und Produktübersicht

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