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LeistungselektronikBild 6: Ausgangsleistung derQuelle als Funktion desLastwiderstands.Bild 7: Leerlaufspannung undmaximale Verlustleistung eines30-mm²-TEG.Bild 8: Thermisches Widerstandsmodelleines TEG undKühlkörpers.sparenden Schlafmodus besitzen. Ein Power-Good-Ausgang istebenfalls enthalten, um dem Host zu melden, dass die Hauptausgangsspannungnahe an ihrem geregelten Wert ist. Bild 2 zeigt eineBeschaltung des LTC3109.Wenn V OUTgeladen und in Regelung ist, wird die geerntete Energiean den V STORE-Pin umgeleitet, um einen optionalen großenSpeicherkondensator oder eine wieder-aufladbare Batterie zu laden.Dieses Speicherelement kann dazu verwendet werden, um dieRegelung beizubehalten und das System weiter zu versorgen, wenndie Energie-erntende Quelle unterbrochen ist. Ein Shunt-Regleram V AUX-Pin verhindert, dass V STOREüber 5,3 V aufgeladen wird.Bei Einsatz eines typischen 40-mm²-TEG kann der LTC3109 mitso kleinen Temperaturunterschieden von nur 2 °C arbeiten, wodurcher sich für eine Vielzahl von Energie-erntenden Applikationeneignet. Ein größerer Temperaturunterschied resultiert darin,dass der LTC3109 einen höheren durchschnittlichen Ausgangsstromliefern kann. Der Ausgangsstrom des Wandlers, abhängigvon der Eingangsspannung, ist in Bild 3 dargestellt und illustriertdie Fähigkeit gleich gut mit Eingangsspannungen unterschiedlicherPolarität zu arbeiten.Thermoelektrische GeneratorenTEGs sind einfach thermoelektrische Module, die einen Temperaturunterschiedam Bauteil und den dadurch resultierendenWärmefluss durch sie auf Grund des Seebeck-Effekts in eine Spannungumwandeln. Die umgekehrte Wirkung dieses Phänomens,bekannt als Peltier-Effekt, erzeugt einen Temperaturunterschiedwenn man eine Spannung anlegt und ist aus thermoelektrischenKühlgeräten bekannt. Die Polarität der Ausgangsspannung ist abhängigvon der Polarität des Temperaturunterschieds am TEG.Tauscht man die warme mit der kalten Seite des TEG ändert sichauch die Polarität der Ausgangsspannung.TEGs sind aus Paaren von N- oder P-dotierten Halbleiterplättchenaufgebaut, die elektrisch in Reihe geschaltet sind undzwischen zwei thermisch leitenden Keramikplatten eingebettetsind. Das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist Bismut-Tellurid(Bi 2Te 3). Bild 4 zeigt den mechanischen Aufbaueines TEGs.Einige Hersteller unterscheiden zwischen TEG und TEC. Wennsie als TEG verkauft werden, bedeutet dies allgemein, dass das Lot,das verwendet wird, um die Paare von Halbleiterplättchen in dasModul zu löten, einen höheren Schmelzpunkt hat, was den Betriebbei höheren Temperaturen und größeren Temperaturunterschiedenermöglicht und deshalb eine höhere Ausgangsleistung als einStandard-TEC hat (der üblicherweise auf eine maximale Temperaturvon 125 °C begrenzt ist). Die meisten Energieernteapplikationenmit geringem Strombedarf werden jedoch nicht bei hohenTemperaturen oder großen Temperaturunterschieden eingesetzt.TEGs gibt es in einer Vielzahl unterschiedlicher Größen und elektrischenSpezifikationen. Die meisten Module sind quadratisch miteiner Kantenlänge von 10 mm bis 50 mm und üblicherweise 2 mmbis 5 mm dick.Mehrere Variable steuern, wie viel Spannung ein TEG aus einemgegebenen Temperaturunterschied ∆T erzeugt (proportional zumSeebeck-Koeffizienten). Ihre Ausgangsspannung liegt im Bereichvon 10 mV/K bis 50 mV/K des Temperaturunterschieds (abhängigvon der Anzahl an Plättchenpaaren) mit einem Quellwiderstandim Bereich zwischen 0,5 Ω bis 10 Ω. Ganz allgemein, je mehr Halbleiterplättchenein TEG in Reihe besitzt, desto höher ist die Ausgangsspannungfür einen gegebenen Temperaturunterschied ∆T.Das Erhöhen der Anzahl der Halbleiterplättchenpaaren erhöht jedochauch den Reihenwiderstand des TEG, was in einem größerenSpannungsabfall resultiert, wenn aufgeladen wird. Die Herstellerkönnen dies kompensieren, indem sie die Größe und das Designder einzelnen Plättchen so justieren, dass sie einen geringen Widerstandbei höherer Ausgangsspannung sicherstellen. Der thermischeWiderstand des TEG ist ein weiterer Faktor, der beachtetwerden muss.LastanpassungUm die maximal verfügbare Leistung aus jeder Spannungsquellezu erhalten, muss der Lastwiderstand an den Innenwiderstand derQuelle angepasst werden. Dies wird durch das Beispiel in Bild 5illustriert, in dem eine Spannungsquelle mit einer Leerlaufspannungvon 100 mV und ein Quellwiderstand von entweder 1 Ω oder3 Ω eine ohmsche Last treiben. Bild 6 zeigt die Leistung, die an denVerbraucher geliefert wird als Funktion des Lastwiderstands. Eskann in beiden Kurven erkannt werden, dass die maximale Leistungdann an den Verbraucher geliefert wird, wenn der Lastwiderstandmit dem Quellwiderstand übereinstimmt.Der LTC3109 hat einen minimalen Innenwiderstand von rund2,5 Ω für die Eingangsquelle (man beachte, dass dies der Eingangswiderstanddes Wandlers ist und nicht des ICs). Dies fällt in dieMitte des Bereichs der Quellwiderstände der meisten TEGs, waseine gute Lastanpassung für einen nahezu idealen Leistungstransferbietet. Das Design des LTC3109 ist derart, dass, wenn V INabfällt,der Innenwiderstand ansteigt. Diese Eigenschaft ermöglichtes, dass der LTC3109 recht gut an TEGs mit unterschiedlichenQuellwiderständen adaptiert werden kann.Auswahl eines TEGDie meisten Hersteller von thermoelektrischen Modulen gebenkeine Informationen über die Ausgangsspannung oder Ausgangsleistungbezüglich der Temperaturunterschiede heraus, was abergenau das ist, was der Entwickler eines thermischen Energieerntesystemshaben möchte. Weitere TEG-Parameter die hilfreich wären,sind der elektrische (AC-) Widerstand und der thermischeWiderstand. Diese werden ebenfalls nicht immer herausgegeben.Zwei Parameter, die immer verfügbar sind, sind V MAXand I MAX, alsodie maximale Betriebsspannung und der maximale Betriebsstrom40 elektronik industrie 06/2012www.elektronik-industrie.de