I Västerhaninge strax söder om Stockholm ligger Zone Controls som utvecklar och tillverkar elektroniska styrsystem som reglerar klimatet inomhus i både stora och små byggnader.

Hittills har företagets alla produkter kommunicerat och stömförsörjning via tråd, men idén att skapa ett radiobaserat system har vuxit fram under en tid.

– Med ett radiosystem blir man väldigt flexibel. När ett nytt företag flyttar in på ett kontor måste man ofta slå ut väggar och då blir det jobbigt om man har trådar, säger Rene Baumann utvecklingschef på Zone Controls.

Så för ett år sedan började han och hans kollegor att skissa på en ny konstruktion, där själva rumssensorn kommunicerar trådlöst med den övriga klimatanläggningen.

När radiokonceptet tog form dök också frågan om hur den lilla rumsenheten, som ska kunna placeras på väggen, ska strömförsörjas. Batterier är ett alternativ, men företaget vill vara miljövänligt, så valet föll på en konstruktion som alstrar energi från ljus och som har en superkondensator som extra back-up. Lösningen blir också underhållsfri.

Idag finns en prototyp framme och planen är att färdiga produkter ska vara klara i början av nästa år. Det som är kvar att bestämma är vilken solcell som ska användas samt ta ett sista beslut kring superkondensatorerna.

– Vi håller på att mäta upp och utvärdera andra solceller än den vi använder i prototypen. Den är ganska dyr så den kommer vi troligtvis att byta ut, säger Rene Baumann.

Han förklarar att det är en rejäl utmaning att välja solceller till ett energiskördande system. Databladen säger inte mycket. Ofta anges bara data vid så kallad maximal-power-point, alltså vid maximala ljusförhållanden som ofta ligger på 1000 lux eller mer.  Fast det är rena lyxen för Zone Controls, vars system ska klara 100 lux på pappret men 40 lux i praktiken för att ha lite marginal.

– Solceller är knepigt. En solcell kan vara mångdubbelt effektivare än en annan förutsatt att den arbetar vid optimala förhållanden. Solceller för utomhusbruk har också mycket högre verkningsgrad än de som är specificerade för inomhusbruk, men de fungerar dåligt inomhus.

En förklaring är att solceller för inomhusbruk är gjorda för att alstra ljus från ett spektrum som passar inomhusbelysning. Dessutom är dessa mindre känsliga för vilken infallsvinkel ljuset har.  

När ljusförhållandet är gott laddas en superkondensator upp. Vi full laddning ska den klara att driva enheten i flera dygn.

Att välja superkondensator är inte heller helt enkelt. Rumsenheterna kommer i två kategorier. Den ena kan endera påverkas utifrån med en liten ratt eller inte alls medan den andra har induktiva touch-knappar som exempelvis kan användas för att styra en timer till en fläkt i ett konferensrum.

Enheterna utan induktiva knappar är väldigt strömsnåla. De skickar bara ut bör- och är-värden för temperaturen då en ändring måste till eller för att visa att enheten är vid liv. Även annan information – som konditionen på superkapen – går ut med jämna mellanrum. Algoritmen avgör kommunikationen.

Produkten med knappar drar betydligt mer ström, runt tio gånger mer, eftersom knapparna måste skannas av hela tiden.

– Vi har inte hittat något som tillräckligt strömsnålt gör att processorn vaknar upp när man trycker på en knapp. Helst skulle man vilja göra det med en interrupt, men elektroniken som genererar interrupt tar också ström. Det är knepigt.

Slutsatsen är att olika superkondensator måste användas i de olika enheterna, där den med knappar kräver större och klart dyrare varianter.

– Vi har en konsult som tittar på vilka superkapacitanser som passar bäst för oss. Just nu väljer vi mellan tre varianter. Två är bättre och en är mindre bra, men den är mycket billigare.

Den största utmaningen har dock varit att utveckla själva elektroniken. Framförallt har det varit svårt att hitta komponenter som har tillräckligt låg egen strömförbrukning, så kallad quiencent current.

– Det känns som att företagen inte riktigt kommit igång med att tillverka riktigt strömsnåla power managementkretsar. Vi har tittat på kretsar från mängder av tillverkare, även helt okända, och kommit fram till detta resultat.

Zone Controls har valt att använda LDO:er för spänningsregleringen. Visserligen har switchade regulatorer högre verkningsgrad – uppåt 90 procent – men enbart vid höga strömmar. LDO:er är också väldigt ineffektiva om man har stor skillnad mellan in- och utspänning

– Men vi tar inte ut så mycket ström och vår spänningsdifferens är inte så stor, då passar LDO:er bäst. Det finns ganska många LDO:er med 1µA quiencent current, men när vi tittat närmare på dem faller ganska många bort av olika anledningar.

Den valda regulatorn drar 0,5 till 1 µA i vila. Fast den drar klart mer, mellan 10 och 100 µA, när den vaknar men ännu inte kommit upp i det område som gör att den börjar reglera.

– Fast det är värre med processorn. När den rampar upp och är i oidentifierat läge drar den väldigt mycket ström. Jag har mätt upp den till 1 mA.

Tricket man gjort är att stoppa in en Mosfet mellan spänningsregulator och processor. Så innan regulatorn ger tillräckligt hög spänning för att sparka igång processorn finns ingen spänning på ingången. När spänningen nått rätt nivå switchar man över den på processorn, som väldigt snabbt får en reset. Det blir bara en liten strömspik.

Processorn som används är en CC430 med inbyggd radio från Texas Instruments.

– Den är strömsnål och har många olika sömnlägen, men den är också systemets största strömtjuv både i aktivt läge och i vila, säger Rene Baumann.

Hans beräkningar visar att processorn i genomsnitt tar 12 µA i aktivt läge och cirka 7,5 µA i vila. Det är en genomtänkt kommunikation och energieffektivt protokoll som ligger bakom den låga förbrukningen i aktivt läge.
 
– Det är väldigt viktigt att förstå att viloströmmen är en så stor del när man konstruerar den här sortens system.

– Framöver hoppas jag att halvledartillverkarna kommer igång och producerar kretsar som har tillräckligt låg strömförbrukning som man bara kan ta och smälla in i systemet, säger Rene Baumann.