Der Ruhestrom ist selten das Problem
Wie man aus einem Lastprofil den mittleren Strom rechnet, warum die Empfangsfenster oft mehr kosten als das Senden und weshalb eine CR2032 mit 225 mAh nach drei Monaten leer sein kann.
Der Mittelwert entscheidet
Ein Sensorknoten verbringt seine Zeit fast vollständig im Schlaf. Trotzdem wird die Laufzeit selten vom Ruhestrom bestimmt, sondern von wenigen hundert Millisekunden Funkbetrieb pro Zyklus. Die Rechnung ist einfach – man muss sie nur aufstellen:
Imittel = QZyklus / TZyklusQ = Ladung je Zyklus, üblicherweise in Milliamperesekunden
Ein LoRaWAN-Knoten, der alle 15 Minuten sendet, mit 2 µA Ruhestrom, 5 mA für 100 ms Messen und Rechnen, 44 mA für 70 ms Senden und 12 mA für zwei Empfangsfenster von zusammen 250 ms:
Empfangen 12 mA · 0,250 s = 3,00 mAs
Ruhestrom 0,002 mA · 899,6 s = 1,80 mAs
MCU 5 mA · 0,100 s = 0,50 mAs
Summe 8,38 mAs je Zyklus → Imittel = 9,3 µA
Das Überraschende steht in Zeile zwei. Die Empfangsfenster kosten praktisch genauso viel wie das Senden – obwohl der Empfangsstrom nur ein Viertel beträgt. Sie dauern eben viermal so lang. Wer die Sendeleistung reduziert, um Energie zu sparen, greift damit an der falschen Stelle an.
Rechner: mittlerer Strom und Laufzeit
Lastprofil eintragen, Zelle wählen – der Rechner liefert den mittleren Strom, die Laufzeit einschließlich Selbstentladung und zeigt, welcher Posten den Verbrauch bestimmt.
Aktive Phasen je Zyklus
Energieaufteilung
Wo die Energie wirklich hingeht
Die Balken oben sind der eigentliche Nutzen der Rechnung. Sie beantworten die Frage, an welcher Stellschraube sich Arbeit lohnt – und die Antwort widerspricht regelmäßig der Intuition.
| Maßnahme | typische Wirkung | Aufwand |
|---|---|---|
| Sendeintervall verdoppeln | halbiert alles außer Ruhestrom | keiner – nur eine Zahl |
| Empfangsfenster verkürzen oder entfallen lassen | oft 30 bis 40 % Ersparnis | Protokollentscheidung |
| Spreizfaktor senken (SF12 auf SF7) | Sendezeit sinkt um mehr als Faktor 10 | kostet Reichweite |
| Ruhestrom von 5 auf 2 µA | meist unter 10 % Ersparnis | hoch – jedes Peripherieteil prüfen |
| Sendeleistung 14 auf 10 dBm | wenige Prozent | kostet Reichweite |
Der Ruhestrom steht bewusst weit unten. Ihn von 5 auf 2 µA zu drücken ist Kleinarbeit – jeder Pull-up, jeder Sensor im Standby, jeder nicht abgeschaltete Spannungsregler – und bringt im Beispiel oben rund ein Fünftel. Das Sendeintervall von 15 auf 30 Minuten zu ändern kostet eine Zeile Code und bringt fast das Doppelte. Erst rechnen, dann optimieren.
Trotzdem ist Ruhestrom nicht gleichgültig: Bei einem Knoten, der nur einmal täglich sendet, kehrt sich das Verhältnis um. Deshalb liefert der Rechner die Aufteilung für Ihr Profil und nicht für ein fremdes.
Die Zelle kann weniger, als auf ihr steht
Innenwiderstand und Pulsbelastung
Eine CR2032 trägt 225 mAh auf dem Gehäuse. Was dort nicht steht: Ihr Innenwiderstand liegt frisch bei 10 bis 20 Ω und steigt gegen Ende der Lebensdauer auf über 100 Ω. Bei einem Sendestrom von 44 mA bedeutet das schon frisch einen Spannungseinbruch von rund einem halben Volt – und die Zelle beginnt bei 3,0 V.
Die Folge ist ein Klassiker: Der Knoten läuft auf dem Schreibtisch, geht im Feld nach Wochen in eine Neustartschleife, und die Zelle zeigt im Multimeter noch 2,9 V. Sie ist nicht leer – sie kann den Puls nur nicht mehr liefern.
Abhilfe ist ein Pufferkondensator direkt am Funkmodul. Er übernimmt den Sendepuls, die Zelle lädt ihn zwischen den Zyklen langsam nach. Größenordnung: bei 44 mA für 70 ms und maximal 100 mV zulässigem Einbruch
In der Praxis kombiniert man beides: einen Elektrolyt- oder Superkondensator für den Puls und mehrere Keramikkondensatoren für die schnellen Anteile. Bei Li-SOCl₂-Zellen bieten Hersteller fertige Hybridmodule mit integriertem Kondensator an.
Selbstentladung
Bei Laufzeiten über mehrere Jahre wird die Selbstentladung zum eigenständigen Verbraucher – und zwar zu einem, gegen den keine Firmware hilft.
| Zelle | Selbstentladung | Pulsfähigkeit | geeignet für |
|---|---|---|---|
| Li-SOCl₂ (ER14505) | rund 1 % / Jahr | gering, mit Puffer gut | Langzeitknoten, 5 bis 15 Jahre |
| CR2032 | rund 1 % / Jahr | sehr gering | kleine Lasten, kurze Pulse |
| Alkaline AA | 2 bis 3 % / Jahr | mittel | 1 bis 3 Jahre, austauschbar |
| Li-Ion 18650 | 2 bis 3 % / Monat | hoch | ladbare Geräte, kurze Zyklen |
Der Unterschied zwischen Prozent pro Jahr und Prozent pro Monat entscheidet ganze Produktkonzepte. Eine Li-Ion-Zelle verliert im Jahr rund ein Drittel ihrer Ladung, ohne dass ein einziges Telegramm gesendet wurde. Für einen Knoten, der fünf Jahre im Schächtchen hängen soll, ist sie damit unbrauchbar – unabhängig davon, wie sparsam die Firmware ist.
Passivierung bei Lithium-Thionylchlorid
Li-SOCl₂-Zellen bilden bei Lagerung eine Schutzschicht auf der Anode. Sie verhindert die Selbstentladung – deshalb die exzellenten Langzeitwerte – erzeugt aber beim ersten Stromimpuls nach längerer Ruhe einen Spannungseinbruch, der Sekunden anhalten kann. Ein Gerät, das nach einem Jahr Lagerung eingeschaltet wird und sofort senden will, startet in diesem Moment neu.
Abhilfe: Pufferkondensator, eine kurze Vorlast beim Start oder eine Zelle mit integriertem Hybridkondensator. Die Herstellerangaben zur Depassivierung stehen in den Anwendungshinweisen, nicht im Datenblatt.
Checkliste für den Sensorknoten
1. Lastprofil messen, nicht schätzen. Datenblattwerte gelten für den Baustein allein. Was die Baugruppe zieht, zeigt nur eine Messung – ein Shunt mit Oszilloskop oder ein Strommessgerät mit µA-Auflösung und schneller Abtastung.
2. Ruhestrom im eingebauten Zustand prüfen. Nicht am Entwicklungsboard. Programmieradapter, LEDs, Spannungsteiler zur Batteriemessung und Sensoren im Standby summieren sich schnell auf ein Vielfaches des MCU-Ruhestroms.
3. Spitzenstrom gegen die Zelle prüfen, nicht nur die Kapazität. Und den Pufferkondensator einplanen, bevor das Layout steht.
4. Kalte Tage einrechnen. Bei −20 °C liefert eine Zelle deutlich weniger als bei Raumtemperatur, und ihr Innenwiderstand steigt zusätzlich. Der Auslegungsfall ist der kalte Wintermorgen, nicht das Labor.
5. Ein Reserve-Drittel einplanen. Zwischen Rechnung und Feld liegen Firmware-Updates, Wiederholsendungen bei schlechtem Empfang und Alterung. Wer auf Kante rechnet, tauscht Batterien früher als geplant.
Gehäuse und Bauteile aus dem 3D-Druck
Zu jeder Baugruppe gehört ein Gehäuse. Wir konstruieren es parametrisch und drucken es im eigenen Labor – FDM für stabile Funktionsteile, SLA für feine Details. Vom ersten Prototyp bis zur Kleinserie, inklusive Nachbearbeitung und Gewindeeinsätzen. Das Erstgespräch ist unverbindlich.
Telefon: +49 (0) 176 820 42391
Weiterlesen
Schaltregler-Auslegung: Induktivität & Ripple-Strom – wie die Versorgung aussieht, die diesen Knoten speist.
Embedded Systems & IoT-Sensorik – unsere Plattformen MLC-105 und ILC-200.
Alle Engineering Guides
Die Beispielwerte entsprechen einem LoRaWAN-Knoten der Klasse A mit SX1276-Funkmodul und einem Mikrocontroller der STM32L0-Familie. Ströme und Kapazitäten sind Richtwerte für Raumtemperatur; verbindlich sind die Datenblätter der eingesetzten Bauteile und Zellen.