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Erntet 50 mal mehr Energie: Neuer Wiegand Harvester von Fraba

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Erntet 50 mal mehr Energie: Neuer Wiegand Harvester von Fraba

Erntet 50 mal mehr Energie: Neuer Wiegand Harvester von Fraba
Weltweit erster funkender IoT-Sensorknoten auf Wiegand-Basis. Bild: Fraba

Das Fraba-Mitglied Ubito gibt einen Durchbruch bei der Nutzung der Wiegand-Technik als Energiequelle für Sensoren bekannt: Nach gut zweijähriger Arbeit im Aachener F&E-Zentrum präsentierte das Forschungsteam im Rahmen einer Labor-Demonstration nun den Prototyp eines drahtlosen Sensors, der mit Wiegand-Technologie betrieben wird und sich in ein IoT-Netzwerk einfügen lässt. Er erzeugt 50-mal mehr Energie als der herkömmliche Wiegand Sensor, heißt es. Entwickelt werden sollte ein neuer „Wiegand Harvester“, der in der Lage ist, genügend Energie für die Stromversorgung der kompletten Sensorelektronik, einschließlich eines Ultrabreitband/UWB-Funksenders zu gewinnen. Die Weltneuheit, so heißt es, eröffne neue Chancen und werde dazu beitragen, Wiegand-Systeme (die Energie aus den Bewegungen eines externen Magnetfelds gewinnen) neben etablierten Energy-Harvesting-Techniken wie Solar-, Piezo- oder Thermoelektrik als verlässliche Energiequelle für autonome Sensorknoten in den IoT-Netzwerken zu verankern. Bei dem F&E-Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde, arbeitete das Fraba-Team mit der FH Aachen zusammen.

Wiegand-Know-how auf den Prüfstand gestellt

Dabei wurde das gesamte bisherige Wiegand-Know-how auf den Prüfstand gestellt, wobei zentrale Parameter in Magnetfeldsimulationen nachjustiert wurden. Neue Low-Power-Fortschritte bei Mikrocontrollern, Wireless-Protokolle wie UWB und Energiemanagement-Lösungen wurden in die Planungen einbezogen. Wesentliche Vorgabe war, die Baugröße des neuen Sensors mit den Basiskomponenten Wiegand-Draht und Spule möglichst kompakt zu halten.

IoT-Knoten kombiniert mit einem Fenstersensor

Bei der Auslegung des Demo-Projekts im Labor entschied man sich in Aachen für einen IoT-Knoten in Kombination mit einen Fenstersensor, der als Gesamtsystem vollständig durch die per „Wiegand Harvester“ bereitgestellte Energie betrieben wird. Dabei wurden zwei ‚Wiegand Harvester‘ und die dazugehörige Elektronik am Fenster montiert, während Stabmagnete am Rahmen angebracht wurden. Die kompakten Harvester bestehen aus einem 21 mm langen, aufwändig konditionierten Wiegand-Draht, der von einer Kupferspule umgeben ist. Sie haben die Größe einer AAA-Batterie (d=7,5 mm). Jedes Mal, wenn das Fenster geöffnet oder geschlossen wird, gleiten die Harvester an den Magneten vorbei, was abrupte magnetische Polaritätswechsel in den sensiblen Wiegand-Drähten auslöst. Die über diese Impulse generierte Energiemenge ist unabhängig davon, wie schnell oder langsam das Fenster bewegt wird – ein wesentlicher USP der Wiegand-Technologie. Die durch die Umpolung ausgelösten Stromimpulse erzeugen 10 μJ Energie pro Harvester. Diese Energiemenge reichte aus, um den Mikrocontroller zu aktivieren und den im System integrierten Temperatursensor auszulesen. Das Team fügte ein UWB-Sendemodul hinzu, mit dem das 134 Byte-große Datenpaket problemlos an eine 60 m entfernte Empfangsstation gefunkt werden konnte.

Meilenstein auf dem Weg zu autarken Wiegand-basierten IoT-Sensorknoten

Die Labordemonstration stellt laut Fraba einen Meilenstein auf dem Weg zu autarken Wiegand-basierten IoT-Sensorknoten dar und wurde im Laufe des Jahres auf diversen Fachkongressen wie der „EnerHarv 2022“ in den USA präsentiert. kf



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