Wie wir Low-Power-IoT-Geräte entwickeln: Ein Blick auf unseren 7-Zoll E-Paper Rahmen
In einer Welt, in der Nachhaltigkeit und lange Batterielaufzeiten immer wichtiger werden, ist das Design von energiesparenden IoT-Geräten entscheidend. Bei paperlesspaper widmen wir uns der Entwicklung von Geräten, die wie unser 7-Zoll E-Paper Rahmen, mit minimalem Energieverbrauch auskommen und so eine autarke und wartungsarme Informationsanzeige ermöglichen. Aber wie erreichen wir das?
PCB und Nordic Power Profiler Kit IIDie richtige Auswahl der Komponenten: Entscheidend für den geringen Energieverbrauch
Der erste und wichtigste Schritt beim Entwurf eines Low-Power-Geräts ist die sorgfältige Auswahl jeder einzelnen Komponente. Hierbei achten wir auf zwei zentrale Kennzahlen:
Ruhestrom (Quiescent Current): Dies ist der Strom, den ein Gerät oder eine Komponente verbraucht, wenn es sich im Leerlauf oder in einem Schlafmodus befindet und keine aktive Aufgabe ausführt. Ein niedriger Ruhestrom ist entscheidend für eine lange Batterielaufzeit, da die meisten IoT-Geräte den Großteil ihrer Lebensdauer im Ruhezustand verbringen. Beispielsweise hat unser Abwärtswandler für die Stromversorgung (Step-Down) TPS62840 einen Ruhestrom von typischerweise nur 60 nA.
Effizienz (Efficiency): Die Effizienz gibt an, wie viel der zugeführten elektrischen Energie tatsächlich in nutzbare Ausgangsleistung umgewandelt wird und wie viel als Wärme verloren geht. Eine hohe Effizienz ist besonders wichtig, wenn das Gerät aktive Aufgaben ausführt (z.B. ein Bild aktualisiert), um den Stromverbrauch während dieser Phasen zu minimieren.
Der Hauptcontroller: Das Herzstück der Energieeffizienz
Der Hauptcontroller ist die zentrale Steuerungseinheit des Geräts und daher ein Hauptfaktor für den Gesamtstromverbrauch. Wir Setzen den ESP32-C6-MINI ein.
PCB mit ESP-32 C6 MCUExtrem niedriger Stromverbrauch im Standby: Die MCU verfügt über verschiedene Energiesparmodi. Im Deep-Sleep-Modus kann dieser Controller beispielsweise seinen Stromverbrauch auf lediglich 7 µA reduzieren. Diese Fähigkeit ist essenziell, um die Batterielaufzeit über Monate oder sogar Jahre zu gewährleisten, da der Controller die meiste Zeit schläft und nur kurz für Aufgaben aufwacht.
Geringer Verbrauch im Betrieb: Auch wenn der Controller aktiv ist, achten wir auf einen geringen Stromverbrauch. Dies wird durch optimierte Software und effiziente Hardware-Architekturen erreicht. Besonders wichtig ist hier, dass der Controller möglichst wenig Zeit in diesem Zustand verbringt.
Konnektivität: Die Wahl der Technologien beeinflusst den Stromverbrauch erheblich. Unser 7-Zoll E-Paper Rahmen nutzt Wi-Fi zur Einrichtung und Aktualisierung. Weiterhin wird noch Bluetooth Low Energy im Einrichtungsprozess verwendet. Moderne WiFi Standards bieten bereits gute Möglichkeiten der Energieoptimierung. Unsere Hardware ist dafür bereit, jedoch wird es noch ein paar Jahre dauern, bis auch Endgeräte wie Router im Heimnetzwerk diese Technologien beherrschen.
E-Paper Display und Elektronik im Standby
E-Paper-Displays sind von Natur aus energiesparend, da sie nur beim Bildwechsel Strom verbrauchen und das angezeigte Bild dauerhaft ohne weitere Energiezufuhr halten. Das klappt tatsächlich! Versuche einmal die Batterien aus deinem Bilderrahmen zu nehmen. Im vergleich zu herkömmlichen Displays wird sich am Bild nichts ändern!
Bei unserem 7-Zoll E-Paper Rahmen liegt der Standby-Verbrauch des E-Paper-Displays bei nur 30 µA. Die gesamte übrige Elektronik, einschließlich des Power-Managements (z.B. BQ25172 Laderegler und TPS62840 Abwärtswandler) und Sensoren (z.B. KXTJ3-1057 Beschleunigungssensor mit 0,9 µA im deaktivierten Zustand), trägt zu einem beeindruckend niedrigen Gesamt-Standby-Verbrauch der Elektronik + Display von 70 µA bei.
Durch diese konsequente Ausrichtung auf Low-Power-Design können unsere Geräte wie der 7-Zoll E-Paper Rahmen eine hohe Batterielaufzeit von bis zu 12 Monaten erreichen, was sie zu einer nachhaltigen und flexiblen Lösung macht.
In unserer Galerie findest du ein paar Bilder, wie wir Low Power Geräte entwickeln und vor allem prüfen und verifizieren.
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