DE10137504A1

DE10137504A1 - Thermally drivable power supply

Info

Publication number: DE10137504A1
Application number: DE10137504A
Authority: DE
Inventors: Andre Albsmeier; Wolf-Eckhart Bulst; Klaus Pistor; Frank Schmidt; Oliver Sczesny; Claus Seisenberger; Martin Vossiek
Original assignee: Enocean GmbH
Current assignee: Enocean GmbH
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-27
Also published as: WO2003015186A2; WO2003015186A3; AU2002320917A1

Abstract

Die Spannungsversorgung (SV) weist mindestens einen thermo-elektrischen Wandler (1) mit nachgeschaltetem Energiespeicher (2) und einer leistungsarmen Aktivierungseinheit (3) zur Überwachung des Ladezustands des Energiespeichers (2) und zur ladezustandsabhängigen Schaltung eines Ausgangssignals des Energiespeichers (2) auf. Insbesondere geeignet für Knacksensoren, die Aktivierungseinheit ist extrem stromsparend ausgeführt, z. B. mittels selbstsperrender FETs.The voltage supply (SV) has at least one thermo-electrical converter (1) with a downstream energy store (2) and a low-power activation unit (3) for monitoring the state of charge of the energy store (2) and for switching an output signal of the energy store (2) depending on the state of charge. Particularly suitable for crack sensors, the activation unit is designed to be extremely energy efficient, e.g. B. by means of self-locking FETs.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermisch antreibbare Spannungsversorgung sowie eine thermisch antreibbare Vorrichtung unter Verwendung der Spannungsversorgung The invention relates to a thermally drivable Power supply and a thermally driven device under Use of the power supply

In WO 98/36395 A2 ist eine Anordnung zur Erzeugung kodierter Hochfrequenzsignale beschrieben, bei der zur Spannungserzeugung ein Thermoelement-Paar ("Thermopaar") oder ein pyroelektrischer Wandler zur Umwandlung thermischer Prozessenergie in elektrische Energie verwendet wird. Diese elektrische Energie wird mittels eines Elements mit nichtlinearer Kennlinie in hochfrequente Energie umgesetzt; ein solches Element kann eine Funkenstrecke oder ein Halbleiterbauelement sein. Das hochfrequente Signal wird sodann mittels einer Kodierungseinrichtung kodiert. Als Kodierungseinrichtung werden Wandler und Filter, z. B. OFW-Filter, beschrieben. Auch beschrieben ist die Möglichkeit, die Anordnung abhängig von einem Umgebungsparameter, z. B. der Umgebungstemperatur, auszulösen. WO 98/36395 A2 describes an arrangement for generating coded High-frequency signals described in the Voltage generation a thermocouple pair ("thermocouple") or a pyroelectric converter for converting thermal Process energy is used in electrical energy. This electrical energy is generated using a nonlinear element Characteristic curve converted into high-frequency energy; such a Element can be a spark gap or a semiconductor component his. The high-frequency signal is then by means of a Coding device encodes. As a coding device Transducers and filters, e.g. B. SAW filter described. Also is described the possibility of the arrangement depending on an environmental parameter, e.g. B. the ambient temperature, trigger.

Bisher werden Thermopaare als nicht geeignet angesehen, eine elektronische Schaltung, z. B. eine Ablaufsteuerung aus Halbleiter-Bauelementen, zu betreiben, weil diese jeweils nur eine kleine Spannung von bestenfalls ca. 0,5 mV/Grad abgeben. Um auch bei einer geringen Temperaturdifferenz ΔT eine Spannung zu erreichen, die zum Betrieb einer elektronischen Schaltung geeignet ist, müssten somit bisher mehrere Hundert Thermopaare zu einem sogenannten Thermogenerator in Reihe geschaltet werden. Dies ist kostengünstig nur in einer Mikrotechnologie wie z. B. der Dünnschichttechnik möglich; durch die daraus resultierenden kleinen Abmessungen der Thermopaare ergibt sich jedoch ein hoher Innenwiderstand des Thermogenerators in der Größenordnung von 1 MΩ, so dass dieser bei einer Spannung von 1 V höchsten seinen Strom von 1 µA abgeben kann, was zum Betrieb einer elektronischen Schaltung bisher bei weitem zu wenig ist. So far, thermocouples are not considered suitable, one electronic circuit, e.g. B. a sequence control Semiconductor components to operate, because these only emit a small voltage of at best approx. 0.5 mV / degree. To be a even with a small temperature difference ΔT To achieve voltage required to operate an electronic Circuit is suitable, so far would have to be several hundred Thermocouples to a so-called thermogenerator in series be switched. This is inexpensive only in one Microtechnology such as B. thin film technology possible; by the resulting small dimensions of the thermocouples however, there is a high internal resistance of the Thermogenerators in the order of 1 MΩ, so this at a voltage of 1 V, its current of 1 µA can what has been used to operate an electronic circuit is far too little.

Bisher wird aufgrund dieses Problems eine thermisch antreibbare Spannungsversorgung nur bei relativ großen nutzbaren Temperaturdifferenzen oder durch den Einsatz von kostspieligen Thermogeneratoren mit großem Querschnitt der Thermoelemente bei gleichzeitig großer Elementenzahl realisiert. So far, due to this problem, thermal drivable power supply only with relatively large usable Temperature differences or by using expensive thermal generators with a large cross section of the Thermocouples realized with a large number of elements.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vereinfachte Möglichkeit zum thermoelektrischen Antrieb einer elektronischen Schaltung, insbesondere einer Ablaufschaltung, bereitzustellen. It is the object of the present invention, a simplified possibility for thermoelectric drive of a electronic circuit, in particular a sequence circuit, provide.

Diese Aufgabe wird mittels einer thermisch antreibbaren Spannungsversorgung nach Anspruch 1 sowie einer Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. This task is achieved by means of a thermally drivable Power supply according to claim 1 and a device according to Claim 7 solved.

Die thermisch antreibbare Spannungsversorgung weist mindestens einen thermoelektrischen Wandler, z. B. ein Thermopaarsystem oder einen pyroelektrischen Wandler auf. Dem Wandler ist ein Energiespeicher nachgeschaltet, z. B. ein Kondensator oder Akkumulator. Mittels einer extrem leistungsarmen Aktivierungseinheit wird der Ladezustand des Energiespeichers überwacht und ladezustandsabhängig ein Ausgangssignal des Energiespeichers geschaltet, z. B. eine Verbindung mit einer elektronischen Schaltung an- oder ausgeschaltet. Beispielsweise kann das Aktivierungselement bei Erreichen einer Schwellspannung einen (separaten oder integrierten) Spannungswandler und einen Verbraucher zuschalten (Spannungsüberwachung). Der optionale Spannungswandler steuert das Ausgangssignal der Spannungsversorgung so, dass ein jeweiliger Verbraucher betreibbar ist; z. B. kann der Spannungswandler das Ausgangssignal innerhalb eines zum Betrieb einer elektronischen Schaltung, z. B. einer elektronischen Ablaufsteuerung, benötigten Spannungsbereichs halten. The thermally drivable power supply has at least one thermoelectric converter, e.g. B. a Thermocouple system or a pyroelectric converter. The converter is an energy storage downstream, z. B. a capacitor or accumulator. By means of an extremely low power Activation unit becomes the state of charge of the energy store monitors and depending on the state of charge an output signal of the Energy storage switched, for. B. connect to a electronic circuit switched on or off. For example, the activation element when a Threshold voltage one (separate or integrated) Connect voltage converter and a consumer (Voltage monitoring). The optional voltage converter controls this Output signal of the power supply so that a respective Consumer is operable; z. B. can the voltage converter the output signal within one to operate one electronic circuit, e.g. B. an electronic Sequence control, keep the required voltage range.

Dabei wird davon ausgegangen, dass die elektronische Schaltung oder ein anderer Verbraucher nicht permanent betrieben werden muss, also variabel zuschaltbar ist, so dass die schon bei einer kleinen Temperaturdifferenz AT vom Wandler erzeugte kleine Strommenge zum Aufladen des Energiespeichers, verwendet wird. Dazu wird bevorzugt ein Wandler eingesetzt, der eine hohe Spannung liefert, z. B. in der Größenordnung von 1 V. It is assumed that the electronic Circuit or another consumer is not operated permanently must be, that is variable switchable, so that already at a small temperature difference AT generated by the converter small amount of electricity to charge the energy storage, is used. A converter is preferably used for this purpose supplies a high voltage, e.g. B. in the order of 1 V.

Der thermoelektrische Wandler bzw. Thermogenerator besteht bevorzugt aus einer Reihenschaltung von Thermopaaren oder einem pyroelektrischen Element. Der thermoelektrische Wandler ist vorzugsweise in Mikrotechnologie, z. B. in Dünnschichttechnologie, gefertigt, weil sich so eine große Zahl von Wandlern kostengünstig herstellen lässt. The thermoelectric converter or thermogenerator exists preferably from a series connection of thermocouples or a pyroelectric element. The thermoelectric converter is preferably in microtechnology, e.g. B. in Thin film technology, manufactured because such a large number of Transformers can be produced inexpensively.

Der Energiespeicher ist bevorzugt ein Kondensator mit extrem geringem Leckstrom, der weit unter 1 µA, einem typischen Wert der erzeugten Ströme, liegen muss. Bevorzugt wird ein Energiespeicher mit einem Leckstrom < 0,1 µA. Bevorzugt wird ein Kondensator mit einem Kunststoff, z. B. Polypropylen oder Polystyrol, als Dielektrikum oder ein Oxiddielektrikum. Der Kondensator ist günstigerweise langfristig sehr hochohmig aufgebaut. The energy store is preferably a capacitor with extreme low leakage current, well below 1 µA, a typical value of the generated currents. A is preferred Energy storage with a leakage current <0.1 µA. A is preferred Capacitor with a plastic, e.g. B. polypropylene or Polystyrene, as a dielectric or an oxide dielectric. The The capacitor is advantageously very high-resistance in the long term built up.

Das Aktivierungselement ist bevorzugt eine elektronische Schaltung, welche selbstsperrende Feldeffekttransistoren als Schaltelemente aufweist, insbesondere falls diese nach einem Rückkopplungsprinzip miteinander geschaltet sind, z. B. zum Erreichen einer bestimmten Schaltcharakteristik. Dabei ist das Aktivierungselement günstigerweise so aufgebaut, dass es bereits bei einem Versorgungsstrom von weit unter 1 µA, insbesondere bei einem Versorgungsstrom < 0,25 µA, arbeitet. Das Aktivierungselement kann mit diskreten und/oder integrierten Bauelementen realisiert sein. Günstig ist es auch, falls das Aktivierungselement einen Spannungswandler zur Steuerung, z. B. zum Konstanthalten, der Ausgangsspannung aufweist. The activation element is preferably an electronic one Circuit, which self-blocking field effect transistors as Has switching elements, especially if this after a Feedback principle are connected to each other, for. B. to Reaching a certain switching characteristic. It is the activation element advantageously constructed so that it already with a supply current of far below 1 µA, works especially with a supply current <0.25 µA. The Activation element can be discrete and / or integrated Components can be realized. It is also cheap if that Activation element a voltage converter for control, e.g. B. to keep constant, the output voltage.

Das Aktivierungselement kann aber auch in anderen Formen realisiert sein, z. B. mittels eines oder mehrerer elektrostatischer Miniaturschaltern, sofern die geforderte geringe Stromaufnahme erfüllt wird. The activation element can also be in other forms be realized, e.g. B. by means of one or more miniature electrostatic switches, provided the required low Current consumption is met.

Anwendungsbeispiele des Spannungsgenerators sind:

- Spannungsversorgung von Temperatursensoren zur Heizkostenverteilung;
- Spannungsversorgung von Sensoren im Haushalt, insbesondere in Kochgeschirren, Herden, Kühlschränken und anderen Haushaltgeräten;
- Spannungsversorgung von Sensoren in der Verkehrstechnik, z. B. im Kfz;
- Spannungsversorgung von Sensoren in der Produktion und Lagerung.

Application examples of the voltage generator are:

- Power supply of temperature sensors for heat cost distribution;
- Power supply for sensors in the home, especially in cookware, stoves, refrigerators and other household appliances;
- Power supply for sensors in traffic engineering, e.g. B. in the car;
- Power supply for sensors in production and storage.

Diese Liste ist selbstverständlich nicht vollständig, vielmehr ist der Spannungsgenerator auch auf anderen Anwendungsgebiete einsetzbar. Of course, this list is not exhaustive, rather the voltage generator is also on others Applications can be used.

Als Sensoren kommen z. B. Vorrichtungen in Frage, die ihre Messwerte über Funk, z. B. Knacksensoren, oder per Draht, z. B. mittels PLC ("Power Line Communication") absetzen. As sensors come e.g. B. Devices in question that their Measured values via radio, e.g. B. crack sensors, or by wire, z. B. using PLC ("Power Line Communication").

Der Verbraucher ist günstigerweise in ULP-Bauweise ausgeführt mit einem Energieverbrauch unter 500 mWs pro Arbeitszyklus, bevorzugt mit einem Energieverbrauch unter 300 mWs pro Arbeitszyklus. The consumer is conveniently designed in ULP construction with an energy consumption of less than 500 mWs per work cycle, preferably with an energy consumption below 300 mWs per Duty cycle.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird der Spannungsgenerator schematisch näher dargestellt. In the following exemplary embodiments, the Voltage generator shown schematically in more detail.

Fig. 1 zeigt skizzenhaft in zwei Teilfiguren den Aufbau einer thermisch antreibbaren Vorrichtung unter Verwendung des Spannungsgenerators; Fig. 1 schematically shows, in two subfigures the construction of a thermally driven device using the voltage generator;

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Aktivierungseinheit. Fig. 2 shows a circuit diagram of an activation unit.

Fig. 1a zeigt eine thermisch antreibbare Vorrichtung K mit einer thermisch antreibbaren Spannungsversorgung SV und einem Verbraucher 5. Die Spannungsversorgung SV beinhaltet einen thermoelektrischen Wandler 1, einen an dessen Ausgang angeschlossenen Energiespeicher 2 und ein Aktivierungselement 3 mit integriertem Spannungswandler 4. Fig. 1 a shows a thermally driven device K with a thermally-driven power supply SV and a load 5. The voltage supply SV includes a thermoelectric converter 1 , an energy store 2 connected to its output and an activation element 3 with an integrated voltage converter 4 .

In diesem Ausführungsbeispiel ist der thermoelektrische Wandler 1 als Satz von in Dünnschichttechnologie ausgeführten Thermopaaren 10 ausgeführt. Der Energiespeicher 2 ist ein hochohmig aufgebauter Kondensator mit einem Oxid-Dielektrikum 20. Das Aktivierungselement 3 ist mit Hilfe von Feldeffekttransistoren 30 realisiert, wobei ein Rückkopplungsprinzip zum Erreichen der gewünschten Schaltcharakteristik eingesetzt wird. In das Aktivierungselement 3 integriert ist ein Spannungswandler 4 in Form eines Schaltwandlers. Der Verbraucher 5 ist in ULP-("Ultra Low Power")Technik ausgeführt und umfasst hier eine elektronische Ablaufsteuerung mit Identifizierungsmöglichkeit, z. B. einem in einem Speicher M, z. B. EEPROM, gespeicherten Identcode, und einen Sender 8 zum Senden eines Sendetelegramms. In this exemplary embodiment, the thermoelectric converter 1 is designed as a set of thermocouples 10 implemented in thin-film technology. The energy store 2 is a high-resistance capacitor with an oxide dielectric 20 . The activation element 3 is implemented with the aid of field effect transistors 30 , a feedback principle being used to achieve the desired switching characteristic. A voltage converter 4 in the form of a switching converter is integrated in the activation element 3 . The consumer 5 is designed in ULP ("Ultra Low Power") technology and here comprises an electronic sequence control with the possibility of identification, eg. B. in a memory M, z. B. EEPROM, stored identity code, and a transmitter 8 for sending a transmission telegram.

In Fig. 1b ist der Spannungswandler 4 dem Aktivierungselement 3 als separater Baustein nachgeschaltet. In Fig. 1b, the voltage converter 4 is connected downstream of the activation element 3 as a separate module.

Fig. 2 zeigt eine Schaltskizze einer Spannungsversorgung SV mit einem Strombedarf einer Spannungsüberwachung als Aktivierungseinheit 3 von weniger als 200 nA. Fig. 2 shows a circuit diagram of a power supply SV with a power requirement of a voltage monitoring unit 3 as the activation of less than 200 nA.

Der thermoelektrische Wandler 1 aus in Serie geschalteten Thermopaaren 10 ist parallel zu einem Kondensator 20 angeschlossen. Dazu wiederum parallel angeschlossen ist das Aktivierungselement 3 mit Feldeffekttransistoren 6, die über Widerstände R so verdrahtet sind, dass sie rückgekoppelt miteinander in Wechselwirkung stehen. Daran angeschlossen ist ein Spannungswandler 4, der einen bestimmten Schwellwert detektiert und nach dessen Erreichen eine Spannung an seinen Ausgang aufgibt; die Schaltung wird mittels eines Logikbausteins 7 gesteuert. The thermoelectric converter 1 made of thermocouples 10 connected in series is connected in parallel to a capacitor 20 . For this purpose, in turn, the activation element 3 is connected in parallel with field-effect transistors 6 , which are wired via resistors R in such a way that they interact with each other in feedback. Connected to this is a voltage converter 4 , which detects a certain threshold value and, after it has been reached, applies a voltage to its output; the circuit is controlled by means of a logic module 7 .

Fig. 3 zeigt skizzenhaft ein Diagramm eines Verbrauchers 5. Fig. 3 is a diagram schematically shows a consumer. 5

Der Verbraucher 5 umfasst eine in Halbleitertechnik, z. B. als ASIC, ausgeführte Ablaufsteuerung, an die ein Speicher M angeschlossen ist, der einen Identcode speichert. An die Ablaufsteuerung ist mindestens ein Sensor 9 gekoppelt. Mittels der Ablaufsteuerung 7 wird zum Sendezeitpunkt, der z. B. durch das Zuschalten der Spannungsversorgung SV gegeben ist, ein Sendetelegramm erstellt, dass Messdaten des Sensor 9 und den Identcode enthalten kann. Das Sendetelegramm wird dann über eine Sendestufe 8 mit angebrachter Antenne 81 abgestrahlt. The consumer 5 includes a semiconductor technology, for. B. as ASIC, executed sequence control to which a memory M is connected, which stores an identity code. At least one sensor 9 is coupled to the sequence control. By means of the sequence control 7 is at the time of transmission, the z. B. by switching on the power supply SV, a send telegram is created that can contain measurement data from the sensor 9 and the identity code. The transmission telegram is then emitted via a transmission stage 8 with the antenna 81 attached.

Claims

1. Thermally drivable power supply (SV), having
at least one thermoelectric converter ( 1 ),
an energy store ( 2 ) connected downstream of the converter ( 1 ),
A low-power activation unit ( 3 ) for monitoring the state of charge of the energy store ( 2 ) and for switching an output signal of the energy store ( 2 ) as a function of the state of charge.

2. Power supply (SV) according to claim 1, whose thermoelectric converter ( 1 ) comprises a set of thermocouples ( 10 ) in microtechnology.

3. Power supply (SV) according to one of the preceding claims, in which the activation unit ( 3 ) has at least two field effect transistors ( 6 ) which are connected in a feedback manner.

4. Power supply (SV) according to one of the preceding claims, in which the activation unit ( 3 ) has at least one electrostatic miniature switch.

5. Power supply (SV) according to one of the preceding claims, which has a voltage converter ( 4 ) for controlling an output signal.

6. Thermally drivable device (K, K ') comprising at least one power supply (SV) and at least one connected consumer (V) in ULP technology.

7. Thermally drivable device (K, K '), in which the consumer (V) at least one sequence control and one this downstream transmitter, especially if the sequencer controls a memory with identification code includes.