Teeuhr

12. Dezember 2019, 15:00 Uhr

Von Lothar Göde

Vor einiger Zeit habe ich einen Artikel zum Thema Energy-Harvesting gelesen. Diese Technologie war für mich neu und ich fand sie sehr interessant und spannend zugleich. Über einen Verein, der unter anderem Bausätze für junge Menschen zur Verfügung stellt, um sie im Rahmen der schulischen Ausbildung an die Elektronik heranzuführen, erhielt ich einen Energy-Harvesting-Bausatz. Kernstück dieses Bausatzes ist der LTC3108 der Firma Linear Technology (heute Analog Devices). Faszinierend war für mich an diesem IC, dass aus einer Gleichspannung von nur 20 mV, bei der normalerweise noch kein Transistor oder MOSFET arbeitet, eine wesentlich höhere Spannung erzeugt wird, die zum Beispiel einen Mikrocontroller versorgen kann. Der LTC3108 ist dafür konzipiert, dass er seine Eingangsspannung aus der Temperaturdifferenz eines Thermoelektrischen Generators (TEG) bezieht.

Thermoelektrischer Generator

Ein Thermoelektrischer Generator kann elektrische Energie aus einer Wärmedifferenz erzeugen oder mit Zufuhr elektrischer Energie eine Wärmedifferenz erzeugen. Ein TEG besteht aus zwei isotropen, homogenen Halbleitermaterialien mit unterschiedlicher (p-,n-)Dotierung (Bild 1). Die populärste Anwendung des thermoelektrischen oder Peltier-Effekts sind diese preiswerten Kühlboxen, die man im Auto in den Zigarettenanzünder stöpselt und die dann in kurzer Zeit die Autobatterie leersaugen (ohne dass das Bier wirklich kalt wird).
 

Bild 1. Prinzipieller Aufbau eines Thermoelektrischen Generators.

Doch es geht auch anders herum: Die Umkehrung des Peltier- ist der Seebeck-Effekt. Eine vorhandene Wärmedifferenz wird in elektrische Energie umgewandelt. Die erzeugte Spannung hängt von den Eigenschaften der thermoelektrischen Materialien und natürlich der Temperaturdifferenz ab. Ein thermoelektrischer wird übrigens ähnlich wie ein thermovoltaischer Generator betrieben: Der entnommene Strom wird so gewählt, dass die Klemmenspannung nur leicht abfällt, die Leistung aber maximal ist (Maximum Power Point, MPP).

Heißer Tee, kalter Tee?

Beim Experimentieren mit dem interessanten Lernpaket trank ich nebenbei oft Tee. Doch wie das so kommt, man vergisst vor lauter Begeisterung meist die Teetasse und dann ist der Tee bitter und kalt. Zur Lösung des Problems stellte ich mir die Frage: „Ist es möglich, aus der Temperaturdifferenz eines mit kochendem Wasser befüllten Teeglases und dessen Umgebung so viel Energie zu gewinnen beziehungsweise umzuwandeln, dass eine energiesparende Elektro(mecha)nik den Teebeutel nach Ablauf der vorgesehenen Brühzeit aus dem Teeglas hebt?“

Zur Beantwortung dieser Frage musste ich zunächst einige Experimente mit dem TEG durchführen. Zur effektiven Wärmeableitung von der kalten Platte des TEGs kommt ein Aluminiumkühlkörper eines CPU-Kühlers aus der Bastelkiste zum Einsatz. Auf der anderen Seite muss man diverse Teegläser und Wärmeleitmaterialien ausprobieren, um eine optimale Wärmeübertragung zu erreichen. Sind diese Probleme gelöst, kann man in fünf Minuten Aufgusszeit aus einem Teeglas mit kochendem Wasser so viel Energie ernten, dass der LTC3108 einen Elko mit 2200 μF (CSTORE in Bild 2) zuverlässig auflädt, so dass die Steuerelektronik ihren Dienst verrichten kann.
 

Bild 2. Der LTC3108 kann quasi aus dem Nichts Energie zur Versorgung einer kleinen Schaltung ernten (Quelle: Analog Devices).

Beförderungsmechanismus

Was lässt sich mit der geernteten Energie anfangen? Natürlich sind „stromfressende“ Funktionen nicht möglich, alle Teile einer Teeuhr müssen sehr sparsam mit Energie umgehen. Zunächst zur Mechanik: Ein Teeglas wird auf den TEG gestellt, der Teebeutel (oder das Teeei) manuell in die Tasse gesteckt und das Teebeutelschildchen über eine Klemme mit dem Draht einer „Hebemechanik“ verbunden.

Bei einer gewöhnlich versorgten Schaltung könnte man jetzt einfach die Hebemechanik mit einem Motor ausstatten, der den Beutel aus dem Sud zieht. Das ist hier aber nicht sinnvoll. Stattdessen wird wie in Bild 3 zu sehen der Draht über eine Umlenkung geführt und mit einem kleinen Gegengewicht (etwas schwerer als ein Teebeutel) ausgestattet. Auf diese Weise ernten wir weitere Energie, nämlich die der Schwerkraft. Da das Gegengewicht schwerer ist als der Teebeutel, muss es von einem Bolzen arretiert werden, der durch Federkraft den Weg des Gegengewichtes versperrt, sobald dieses eine bestimmte Position erreicht hat. Die Freigabe des Bolzens erfolgt elektromagnetisch mit einem einzigen Stromstoß. So muss nicht ein relativ kräftiger Strom über einen längeren Zeitraum geliefert werden.
 

Bild 3. Das Schaltbild der Thermoelektrischen Teeuhr.

Für die Bolzenarretierung habe ich ein Relais umgebaut und den Bolzen am Kontaktsatz des Relais befestigt. Es sind auch spezielle Hubmagnete im Handel, die hier ebenfalls eingesetzt werden könnten. Damit der Tee beim Herausheben des Beutels nicht spritzt, habe ich das Gegengewicht mit einem Gummidämpfer versehen müssen.

Der Mikrocontroller als Timer und Treiber

Weil wir so sparsam mit der Energie für den Mechanismus umgehen, können wir uns bei der Steuerzentrale der Teeuhr, einem Mikrocontroller ATmega169PA von Atmel, einigen Luxus erlauben. Im ATmega169PA ist ein LCD-Controller eingebaut, was den bequemen Anschluss eines Displays zur Anzeige der Ziehzeit erlaubt. Übrigens ist es tatsächlich auch energiesparender, wenn man eine Hardwarefunktion eines Controllers nutzt, als diese Funktion per Software zu emulieren.

In das Teeglas wird nun kochendes Wasser geschüttet, so dass der TEG elektrische Energie erzeugt. Sobald die Energy-Harvesting-Schaltung die Versorgungsspannung für den Mikrocontroller bereitstellt, wird die Ziehdauer im Display blinkend angezeigt. Bis die Anzeige erscheinen kann, vergehen circa 30 s. Die meisten Teesorten müssen 5 min ziehen, so dass als Standardwert eine Zeit von 4:30 min angezeigt wird.

Am Mikrocontroller sind zwei Tasten angeschlossen, mit denen sich (unter anderem) die Ziehdauer einstellen lässt. Wird für einige 12 s keine der Tasten betätigt, dann blinkt die Anzeige nicht mehr und die eingestellte Ziehzeit wird im Sekundentakt heruntergezählt.

Einige Sekunden vor Ablauf der Brühdauer ertönt das akustische Signal eines Piezopiepsers. Dies soll ein Hinweis darauf sein, dass der Tee gleich zur Abholung bereit steht. Wenn die Ziehzeit endgültig abgelaufen ist, wird vom Mikrocontroller ein kurzes Signal zur Relaisspule geschickt, die den Arretierbolzen freigibt, so dass das Gegengewicht den Teebeutel in gedämpfter Bewegung aus dem Teeglas zieht.

Das vom Piezosignalgeber erzeugte akustische Signal muss leicht zeitversetzt vor Ablauf der Ziehdauer ausgegeben werden, um in der verbleibenden Zeit die verpiepste Energie wieder kompensieren zu können, so dass ausreichend elektrische Energie für die Betätigung der Relaisspule vorhanden ist. Wurde das akustische Signal ignoriert, lässt die Teeuhr nicht locker; weitere akustische Signale folgen im Minutentakt. Dieser Alarm lässt sich durch Betätigung einer Taste abstellen. Nötig sollte das aber nicht sein, denn wenn man die heiße Tasse vom TEG nimmt, bricht die Spannungsversorgung ja in kurzer Zeit ohnehin zusammen.

Fazit

Eine Schaltung so zu konzipieren, dass sie mit der geringen geernteten Energie beim Energy-Harvesting auskommt, ist eine große Herausforderung. Dies betrifft nicht nur die Hardware-Konstruktion, sondern auch und vor allem das Energiemanagement bei der Erstellung der Firmware. Beispielsweise musste die Firmware so optimiert werden, dass bei der Einstellung der Ziehdauer durch die betätigten Tasten nur ein minimaler Strom benötigt wird, damit die Versorgungsspannung für den Mikrocontroller nicht zusammenbricht. Aber genau dies ist ja Sinn und Zweck solcher Experimente!

Die Thermoelektrische Teeuhr kann zusätzlich mit einem Funkmodul (Bluetooth Low Energy, BLE) erweitert werden, damit eine Nachricht an ein Smartphone gesendet wird, wenn der Tee fertig ist. Auch könnte das Herausheben des Teebeutels aus dem Teeglas ein stromsparender Schrittmotor übernehmen.

Auch wenn es im Foto des Prototyps (Bild 4) nicht so aussieht, stellt die Thermoelektrische Teeuhr (im Gegensatz zu vielen kommerziellen Produkten mit einer ähnlichen Aufgabe, aber geradezu antiker Herangehensweise) durch die Verwendung der modernen Energy-Harvesting-Technologie ein ausgesprochenes Hightech-Gerät dar. Lästige Pflichtaufgaben wie Batteriewechsel oder Aufladen von Akkus entfallen. Da auf Batterien und Akkumulatoren verzichtet wird, können auch keine chemischen Substanzen auslaufen. Das Gerät ist (bis auf die Reinigung) wartungsfrei. Es entstehen keinerlei gefährliche elektrische Spannungen, so dass auf Schutzmaßnahmen verzichtet werden kann. Die Thermoelektrische Teeuhr ist einzigartig!

Bild 4. Noch im Versuchsstadium: Der funktionierende Prototyp der Teeuhr.

Das Projekt wurde auch bereits im Reichelt Elektronik Magazin veröffentlicht.
 

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