DE102004015004A1 - Anordnung mit zumindest einer elektrischen Spannungsquelle und einer ersten Spannungswandlerschaltung - Google Patents

Anordnung mit zumindest einer elektrischen Spannungsquelle und einer ersten Spannungswandlerschaltung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit zumindest einer elektrischen Spannungsquelle (1) und einer ersten Spannungswandlerschaltung (2) mit einem Ausgang (3) und einem Eingang (4). Dabei ist die elektrische Spannungsquelle (1) mit dem Eingang (4) der ersten Spannungswandlerschaltung (2) verbunden und der Ausgang (3) der ersten Spannungswandlerschaltung (2) mit einem elektrischen Verbraucher (5) verbindbar. Ein Eingangsschaltkreis (6) mit einem elektromechanischen Schaltglied (7) und einer Induktivität (8) ist gebildet und das Schaltglied (7) öffnet und schließt in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe selbsttätig einmal oder mehrmals, wobei ein Ausgangsschaltkreis (10) mit einem kapazitiven Element gebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit zumindest einer elektrischen Spannungsquelle und einer ersten Spannungswandlerschaltung die vorzugsweise zur Aufwärtswandlung von niedrigen elektrischen Spannungen verwendbar ist.
  • Spannungsquellen, denen zum Beispiel der Seebeck-Effekt zugrunde liegt, erzeugen elektrische Spannungen die in Abhängigkeit einer Temperatur gebildet sind. Die damit erzeugten Spannungen sind sehr klein und als Spannungsquelle für den Betrieb weiterer elektrischer Schaltungen aufgrund der sehr geringen Spannungswerte nur sehr eingeschränkt verwendbar. Es beschreibt der Seebeck-Effekt, dass, wenn in einem geschlossenen elektrischen Leiter zwei Lötstellen zwischen verschiedenen Materialien mit verschiedenen Temperaturen ausgebildet sind, ein elektrischer Strom, der sogenannte Thermostrom, fließt. Dieser Thermostrom lässt sich bereits für Temperaturdifferenzen von 1 Kelvin und darunter messen. Die daraus resultierende Thermospannung ist abhängig von den verwendeten Metallen, beziehungsweise Metallpaarungen. Grundsätzlich ist die Thermospannung eines einzelnen Thermoelementes jedoch sehr gering. Um die erzeugte Spannung zu erhöhen, ist es eine bekannte Vorgehensweise Thermoelemente in Serienschaltung zu betreiben und somit höhere Ausgangsspannungen zu erzielen. Da jedes einzelne der Thermoelemente einen eigenen Innenwiderstand aufweist, erhöht sich durch die Serienschaltung der Thermoelemente auch der Gesamtinnenwiderstand in unvorteilhafter Weise. Damit ist eine höhere Ausgangsspannung mit dem Nachteil eines geringeren Wirkungsgrades erkauft. Dieser Nachteil lässt sich nicht nur auf Thermoelemente übertragen, sondern gilt auch für andere Spannungsquellen die geringe oder geringste Spannungen liefern. Da jede Spannungsquelle einen gewissen Innenwiderstand aufweist, bedingt eine Serienschaltung von Spannungsquellen auch eine Addition der Innenwiderstände. Durch einen Parallelbetrieb von Thermoelementen, beziehungsweise durch die flächenmäßig größere Ausbildung der Thermoelemente, wird im Gegenzug keine höhere Spannung, jedoch ein höherer Strom, dem zufolge ein höherer Thermostrom, erzeugt. Durch die Parallelschaltung verbessert sich der Innenwiderstand in vorteilhafterweise da sich der Innenwiderstand der Gesamtschaltung dann vorteilhaft verringert.
  • Nachteilig ist, dass mit den geringen Spannungen, die dann erhaltbar sind, bekannte Halbleiterschaltanordnungen nicht betreibbar sind. Halbleiterschaltungen benötigen eine elektrische Spannung, die einen Schwellwert von zumindest 0,3 V überschreitet. Ab diesem Wert sind auch Spannungswandlerschaltungen auf Halbleiterbasis einsetzbar.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, elektrische Spannungen, die kleiner als die Grenzspannung bekannter Halbleiterspannungswandler sind, für Halbleiterschaltungen nutzbar zu machen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung nach Patentanspruch 1 gelöst und durch die in den untergeordneten Ansprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen vorteilhaft erweitert.
  • Dabei ist eine Anordnung mit zumindest einer elektrischen Spannungsquelle, die zum Beispiel durch ein Thermoelement gebildet sein kann, und einer ersten Spannungswandlerschaltung mit einem Ausgang und einem Eingang vorgeschlagen. Die Spannungsquelle ist erfindungsgemäß mit dem Eingang der ersten Spannungswandlerschaltung verbunden, und der Ausgang der ersten Spannungswandlerschaltung ist mit einem elektrischen Verbraucher verbindbar. Die erste Spannungswandlerschaltung enthält einen Eingangsschaltkreis und einen Ausgangsschaltkreis wobei der Eingangsschaltkreis mit einem elektromechanischen Schaltglied und einer Induktivität gebildet ist. In Abhängigkeit von einer physikalischen Größe, zum Beispiel Temperatur, Strom, Spannung oder ähnlichem, schließt und öffnet das elektromechanische Schaltglied selbsttätig. Durch das Öffnen und Schließen des elektromechanischen Schaltgliedes wird an der Induktivität des Eingangsschaltkreises eine Spannung induziert. Abhängig von der Auslegung der Induktivität ist die induzierte Spannung ausreichend, um Ladungsträger vom Eingangsschaltkreis der Spannungswandlerschaltung in den Ausgangsschaltkreis der Spannungswandlerschaltung zu transportieren. Der Ausgangsschaltkreis der Spannungswandlerschaltung verfügt über ein kapazitives Element das die elektrischen Ladungen speichert.
  • Vorteilhaft ist, dass ein elektromechanisches Schaltglied, entgegen einem halbleiterbasierten Schaltglied, so dimensionierbar und ausführbar ist, dass es auch bei geringsten Erregersignalen reagiert.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Eingangsschaltkreis so extrem niederohmig ausgelegt, dass auch bei sehr geringen Spannungen, zum Beispiel Spannungen kleiner 0,3 V Ströme fließen, die ausreichend groß sind um in der Spule des Eingangsschaltkreises, durch die plötzliche Änderung des Stromflusses bedingt durch das elektromechanische Schaltelement, eben solch ausreichende Spannungen induzierbar sind.
  • Der Auslöseparameter für das elektromechanische Schaltglied kann vielseitig sein. Es bieten sich an, zum Beispiel ein Auslösen bei bestimmter Temperatur, Druck, Spannung, Stromstärke oder ähnliches. Wobei im Falle von elektrischem Strom oder Spannung die Quelle für diesen elektrischen Strom oder Spannung die eingangsseitig an der Spannungswandlerschaltung angeschlossene Spannungsquelle sein kann. Ist das elektromechanische Schaltglied mit der Induktivität in Serie geschaltet, führt ein zeitlich rasches Unterbrechen des Stromkreises im Schalter zu einer höheren induzierten Spannung in der Spule des Eingangsschaltkreises.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das elektromechanische Schaltglied durch ein elektromagnetisches Relais gebildet. Idealerweise ist die Induktivität in dieser Ausführungsform durch die Erregerspule des Relais gebildet. Ein Schaltelement, das als Öffnerkontakt ausgeführt ist, bildet dann gemeinsam mit der Erregerspule des Relais das elektromechanische Schaltglied. Ist weiter das Schaltelement in den Erregerstromkreis des Relais eingebunden, so führt dies zu einem Effekt, der als selbstabfallend bezeichnet werden kann. Das heißt, bei einem Stromfluss durch die Erregerspule zieht das Relais an, wodurch der Öffnerkontakt geöffnet wird. Dieses Öffnen des Kontaktes führt zu einem sofortigen Stromabfall in der Erregerspule, induziert dort elektrische Spannung, die Ladungsträger in den Ausgangsschaltkreis transportiert und das Relais fällt ab.
  • Dadurch schließt der Kontakt wieder und das Relais zieht wieder an und der Vorgang beginnt von vorne. Somit ist mit einem elektromechanischen Schaltelement eine pulsierende Gleichspannung gebildet, die es ermöglicht Ladungsträger zu dem kapazitiven Element des Ausgangsstromkreises zu pumpen. Eine solche Schaltanordnung könnte also als elektromechanische Ladungspumpe bezeichnet werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Relais durch ein Reedrelais gebildet. Reedrelais benötigen sehr geringe Kräfte zur Betätigung der Kontakte und eigenen sich aus diesem Grunde in besonderem Masse.
  • Zur Optimierung der Schaltanordnung ist in einer vorteilhaften Ausführungsform die Induktivität als Transformator mit einer niederohmigen Primärwicklung und einer hochohmigen Sekundärwicklung gebildet. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise die niederohmige Primärwicklung eine Erregerwicklung des Relais. Damit ist es möglich, Das Relais unabhängig von der Induktionsspule, der Induktivität, zu dimensionieren und daher für jedes Element eigene optimierte Dimensionierungen zu finden. So kommt eine niederohmige Primärspule mit einer geringen Spannung zur Betätigung des Relais beziehungsweise der Relaiskontakte aus, die in dieser Spule induzierbare Spannung ist allerdings auch gering. Deshalb ist es vorteilhaft eine hochohmige Spule, auch mit mehr Windungen als Sekundärspule zu verwenden, um eine möglichst hohe induzierte Spannung zu erreichen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Primärwicklung und die Sekundärwicklung durch eine Wicklung mit Mittenabgriff gebildet. Dies stellt einen sogenannten Spartransformator dar. Bei den damit möglichen geringeren Raumbedarf und den geringeren Herstellungskosten, ist eine getrennte Optimierung der beiden Spulen damit dennoch möglich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Eingangsschaltkreis und der Ausgangsschaltkreis über eine Diode miteinander verbunden, die einen Rückfluss von Ladungsträgern aus dem Ausgangsschaltkreis beziehungsweise aus der Kapazität des Ausgangsschaltkreises zurück in den Eingangsschaltkreis verhindert. Dabei ist die Diode so angeordnet, dass ein Fließen von Ladungsträgern von dem Eingangsschaltkreis zu dem Ausgangsschaltkreis möglich ist.
  • Am Ausgang der ersten Spannungswandlerschaltung ist ein Verbraucher, insbesondere ein halbleiterbasierter Verbraucher, betreibbar. Dies, da das elektromechanische Element der ersten Spannungswandlerschaltung so dimensionierbar ist, dass es auch bei Spannungen unter 0,3 V zu arbeiten beginnt. Ansonsten ist bei den vorhandenen 0,3 V Spannung oder geringer ein Verbraucher, insbesondere ein halbleiterbasierter Verbraucher, nicht betreibbar.
  • Damit ist eine zweite Spannungswandlerschaltung wahlweise auch als Halbleiterspannungswandlerschaltung an den Ausgang der ersten Spannungswandlerschaltung betreibbar.
  • Bei geeigneter Dimensionierung sind die Halbleiterspannungswandlerschaltungen nach dem einmaligem Überschreiten einer elektrischen Schwellspannung auch unter dieser Schwellspannung am Eingang der halbleiterbasierten Spannungswandlerschaltung betreibbar. Somit könnte die erste Spannungswandlerschaltung als Initialisierungsschaltung für eine zweite Spannungswandlerschaltung gelten, indem diese kurzzeitig eine höhere Schwellspannung liefert. Deshalb ist in einer vorteilhaften Ausführungsform die Anordnung zwischen den beiden Spannungswandlerschaltungen so gewählt, dass abhängig von Betriebsparametern der zweiten Spannungswandlerschaltung oder abhängig von der Betriebsfähigkeit der zweiten Spannungswandlerschaltung die erste Spannungswandlerschaltung überbrückt werden kann. Dies ist beispielhaft durch entsprechend ausgebildete Wechselschaltelemente möglich, die aufgrund eines Parameters ausgehend von der zweiten Spannungswandlerschaltung bedient werden.
  • Man erhält also in der Folge keine beliebige Kette von aneinandergereihten Spannungswandlerschaltungen, sondern man erhält vielmehr eine Spannungsquelle, dessen geringes Ausgangssignal als Eingangssignal für eine Initialisierungsschaltung ist. Diese ist gebildet durch die erste Spannungswandlerschaltung mit elektromechanischem Element. An deren Ausgang ist wiederum eine zweite Spannungswandlerschaltung, insbesondere eine Halbleiterspannungswandlerschaltung angeschlossen. Ist die Spannung an der Spannungsquelle hoch genug, um nach dem Erreichen einer Schwellspannung auch bei niedrigeren Spannungen als die Schwellspannung die Halbleiterspannung zu betreiben, so werden initiiert durch die zweite Halbleiterspannungswandlerschaltung, die Schaltelemente zur Überbrückung der ersten Spannungswandlerschaltung betätigt. Damit ist in vorteilhafterweise auch für kleinste Spannungen eine Spannungswandlerschaltung gebildet, die diese in höhere Spannungen zu wandeln in der Lage ist, ohne dabei ein Mehr an Energie zu verbrauchen, da die erste Spannungswandlerschaltung abgeschaltet, beziehungsweise abschaltbar ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in den Ausgangsschaltkreis der ersten und/oder wahlweise auch der zweiten Spannungswandlerschaltung ein Strombegrenzungselement implementiert. Aufgabe und Zweck dieses Strombegrenzungselementes ist es, den maximalen Ausgangsstrom, den ein Verbraucher der ersten beziehungsweise der zweiten Spannungswandlerschaltung entnehmen kann, auf einen maximalen Wert zu begrenzen, so dass nicht durch eine zu hohe Stromentnahme die Stabilität der ersten oder zweiten Spannungswandlerschaltung leidet.
  • Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme von 4 Figuren näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine Anordnung mit Spannungsquelle, einer ersten Spannungswandlerschaltung und einen Verbraucher
  • 2 ein Detail der ersten Spannungswandlerschaltung
  • 3 ein Detail in anderer Ausführungsform der ersten Spannungswandlerschaltung
  • 4 eine Anordnung aus Spannungsquelle, erster und zweiter Spannungswandlerschaltung, und einem Verbraucher,
  • 5 ein Reedrelais, in einer schematischen Darstellung,
  • 6 ein Reedrelais, mit Transformator in einer schematischen Darstellung,
  • 7 ein Reedrelais mit Spartransformator
  • 1 zeigt schematisch eine aus einem oder mehreren Thermoelementen gebildete Spannungsquelle 1. Als Spannungsquelle sind verschiedene Energiewandler verwendbar. Die folgende Aufzählung benennt einige der geeigneten Energiewandler:
    • – Thermoelement
    • – elektrochemischer Energiewandler
    • – elektromechanischer Energiewandler
    • – Brennstoffzelle
    • – Wandler der elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelt
  • Weiter zeigt die 1 eine erste Spannungswandlerschaltung 2, die einen Ausgang 3 und einen Eingang 4 aufweist. Am Eingang 4 der ersten Spannungswandlerschaltung 2 ist die Spannungsquelle 1 angeschlossen. Wenn die Spannungsquelle 1 beispielsweise ein Thermoelement ist, so ist die aus ihr gewonnene elektrische Spannung sehr gering, das heißt kleiner 0,3 V. Am Ausgang 3 der ersten Spannungswandlerschaltung 2 ist ein Verbraucher 5 angeschlossen. Ist der Verbraucher 5 zum Beispiel eine Halbleiterschaltung, so ist er mit Spannungen die von der Spannungsquelle 1 geliefert werden nicht direkt betreibbar. Der Eingangsschaltkreis 6 der Spannungswandlerschaltung 2 enthält eine Induktivität 8 und ein Schaltelement 7. Das Schaltelement 7 wird durch externe Parameter, das heißt Wärme, Licht, Strom, Spannung oder ähnliches geöffnet und wieder geschlossen, so dass eine Unterbrechung des Eingangsstromkreises 6 zu einer Induktion in der Spule 8 führt. Durch diese Induktion gelangen Ladungsträger auf das kapazitive Element 9 des Ausgangsschaltkreises 10. Das Öffnen und Schließen des elektromechanischen Schaltelementes 7 erfolgt so oft, bis die Anzahl der Ladungsträger am kapazitiven Element 9 und damit die Spannung im Ausgangsschaltkreis 10 hoch genug ist um den Verbraucher 5 zu betreiben.
  • 2 zeigt eine detailliertere Darstellung des elektromechanischen Schaltelementes, wobei ein Schaltelement 11 als Öffnerkontakt gebildet ist und ein elektromotorisches Betätigungselement 12 das Schaltelement öffnet und schließt. Betätigbar ist dieses elektromotorische Betätigungselement durch physikalische Parameter wie Änderung der Temperatur, Lichtstärke, Spannung, Strom oder ähnliches. Die in 3 dargestellte vorteilhafte Ausführungsform des gleichen Schaltkreises zeigt die Einbindung der Induktivität 8 als Erregerspule für ein Relais, das so geschaltet ist, dass bei Stromfluss durch die Spule das Relais anzieht und das Schaltelement 11 dadurch öffnet. Damit unterbricht das Schaltelement 11 den Erregerstromkreis 14 des Relais 13, wodurch dieses abfällt und der Schalter abermals geschlossen wird.
  • Damit ist ein sogenanntes selbst abfallendes Relais gebildet, wodurch ständige Induktionen in der Spule zu einem pumpen von Ladungen in Richtung des kapazitiven Elementes 9 führt.
  • 4 zeigt nun eine Anordnung, die um eine weitere Spannungswandlerschaltung 16 erweitert ist. Dabei ist die Spannungswandlerschaltung 16 zwischen dem Verbraucher 5 und der ersten Spannungswandlerschaltung 2 angeordnet. Der Verbraucher 5 ist nun an einem Ausgang 17 der zweiten Spannungswandlerschaltung 16 angeschlossen. Ein Eingang 15 der zweiten Spannungswandlerschaltung 16 ist mit dem Ausgang 3 der ersten Spannungswandlerschaltung 2 verbunden. Somit ist es möglich die Spannungswandlerschaltung 2 zu verwenden, um die ursprünglich sehr geringe Spannung der Spannungsquelle 1 so hoch zu wandeln, dass die als Halbleiterspannungswandlerschaltung ausgeführte zweite Spannungswandlerschaltung 16 betrieben werden kann. Diese ist so dimensioniert, dass einmal in Betrieb gesetzt, sie in der Lage ist aus einer sehr kleinen Eingangspannung eine zu ihrem Betrieb ausreichend große Spannung zu generieren und zu halten. So dass sie bei einem Unterschreiten der Einschaltschwellspannung, von zum Beispiel 0,3V, an der Spannungsquelle 1 dennoch weiterbetrieben werden kann. Das heißt auch bei einem Unterschreiten der eigentlichen Schwellspannung zum Betrieb der zweiten Spannungswandlerschaltung 2 arbeitet diese weiter. Somit ist es möglich die erste Spannungswandlerschaltung 2 solange von der Spannungsquelle 1 und der zweiten Spannungswandlerschaltung 16 zu trennen, bis die Spannung einen Wert unterschreitet, der auch den Betrieb der zweiten Spannungswandlerschaltung 16 verhindert. Dazu sind Schaltmittel 18 eingeführt, die eine Überbrückung der ersten Spannungswandlerschaltung 2 ermöglichen. Fällt die zweite Spannungswandlerschaltung 16 aufgrund der zu niedrigen Spannung an der Spannungsquelle 1 aus, so schalten die Schaltmittel 18 die erste Spannungswandlerschaltung 2 wieder hinzu. Diese bewirkt dann ein Aufwärtswandeln der Spannung und damit ein erneutes Überschreiten der Schwellspannung am Eingang der zweiten Spannungswandlerschaltung 16.
  • Durch geeignete Dimensionierung der ersten Spannungswandlerschaltung 2 kann erreicht werden, dass bei einer abfallenden elektrischen Spannung unter eine Wert, bei dem die zweite Spannungswandlerschaltung 16 nicht mehr betreibbar ist, auch die erste Spannungswandlerschaltung nicht betrieben werden kann. Damit ist es möglich, die erste Spannungswandlerschaltung 2 als eine reine Initialisierungsschaltung für die zweite Spannungswandlerschaltung zu betreiben. Die erste Spannungswandlerschaltung spricht dann erst ab eine Spannung an, bei der die zweite Spannungswandlerschaltung zwar betrieben werden kann, aber nicht „gestartet" werden kann. Vorteilhaft daran ist die damit erreichbare Erhöhung der Lebensdauer der ersten Spannungswandlerschaltung, da diese immer nur kurz zum Generieren eines kurzen Einschaltspannungssignals von ausreichender Höhe für die zweite Spannungswandlerschaltung 16 betrieben wird.
  • Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Reedrelais, wie es als Relais 13 einsetzbar ist. Die Vorteile einer Ausführung mit einem Reedrelais liegen insbesondere in den geringen Kräften die zur Betätigung eines Reedkontaktes erforderlich sind.
  • Die 6 und 7 zeigen eine Beispielhafte Ausführungsform mit einem Transformator 20. Vorteilhaft sind dabei die Primärspule 21 von der Sekundärspule 22 getrennt dimensionierbar. Die Sekundärspule versorgt durch Induktion das kapazitive Element 9 des Ausgangsschaltkreis 10 mit Ladungsträgern. In 7 ist ein, besonders im Bezug auf den Raumbedarf und die Herstellungskosten, vorteilhaftes Ausführungsbeispiel als sogenannter Spartransformator dargestellt. Dabei ist die Induktivität ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel der 6 mit einem ferromagnetischen Kern 25 und einer, beziehungsweise zwei Spulen gebildet. Durch einen Mittenabgriff 25 kann eine unterschiedliche Windungszahl für die Primärspule 21 und die Sekundärspule 22 gebildet werden.
  • Ein Strombegrenzungsglied 19, das beispielhaft in der zweiten Spannungswandlerschaltung 16 im Ausgangsstromkreis angeordnet ist, begrenzt den durch den Verbraucher 5 abnehmbaren Strom auf einen vorbestimmten Wert. Die Spannungsquelle 1, die zum Beispiel durch einen niederohmigen Thermowandler beziehungsweise Thermoelement oder auch eine Brennstoffzelle oder eine andere Spannungsquelle mit kleiner Ausgangsspannung gebildet wird, liefert also am Eingang der ersten Spannungswandlerschaltung 2 Spannung, wodurch über das elektromechanische Schaltelement am Ausgang 3 der ersten Spannungswandlerschaltung eine Initialisierungsspannung gebildet wird. Das heißt, die geringe Eingangspannung wird kurzzeitig soweit angehoben, dass die halbleiterbasierte zweite Spannungswandlerschaltung 16 beginnen kann zu arbeiten. Diese halbleiterbasierte Spannungswandlerschaltung 16, die durch einen sogenannten Schaltwandler oder auch durch einen Oszillator gebildet sein kann, ist so ausgelegt, dass sie auch bei sehr kleinen Spannungen wie zum Beispiel kleiner 0,3 V arbeiten kann sobald sie einmal angeschwungen ist.
  • Zum Anschwingen kommt diese zweite Spannungswandlerschaltung durch den Initialisierungsimpuls der als leicht erhöhte Spannung am Ausgang der ersten Spannungswandlerschaltung 2 anliegt. Zum Arbeiten, ist die erste Spannungswandlerschaltung 2 auf, im wesentlichen hohe, Ströme ausgelegt und nicht auf hohe Spannungen. Dies wird erreicht durch die niederohmige Auslegung des Eingangsschaltkreises der durch eine Spule oder einen primärseitig niederohmigen Transformator erreicht ist. Weiterhin ist ein ebenso niederohmig ausgeführter elektromechanischer Schalter in diesen niederohmigen Eingangsschaltkreis eingebunden. In bezug auf den Schalter bezieht sich die niederohmige Eigenschaft auf den Übergangswiderstand an den Schaltkontakten.
  • So bietet sich hier an, Relais in der Ausführung als Reed-Relais, oder auch andere Schalter, die zum Betrieb keine hohen Spannungen sondern eher hohe Ströme benötigen. Dies sind zum Beispiel Bimetallschalter oder spezielle Halbleiterschalter. Sobald die Energiequelle beziehungsweise die Spannungsquelle 1 einen Strom durch die Spule initiiert, baut diese ein magnetisches Feld auf, in dem Energie gespeichert wird. Wird der Stromkreis jetzt durch den Schalter unterbrochen, erzeugt das zusammenbrechende magnetische Feld an der Spule eine Induktionsspannung, die bei geeigneter Dimensionierung wesentlich höher als die Eingangsspannung ausfällt. Diese Spannung lädt das kapazitive Element 9 des Ausgangsschaltkreises der ersten Spannungswandlerschaltung 2 auf. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, bis das Spannungsniveau am kapazitiven Element des Ausgangsschaltkreises der ersten Spannungswandlerschaltung 2 ausreicht, um die nachfolgende zweite Spannungswandlerschaltung 16 zu initialisieren. Läuft diese zweite Spannungswandlerschaltung 16 erst einmal, liefert sie sich selbst die zu ihrem Betrieb notwendige Spannung. Sie liefert weiterhin eine Gleichspannung, mit der Halbleiterschaltungen an ihrem Ausgang 17 betrieben werden können. Beispielhaft ist das Schaltelement 11 als Öffnerkontakt ausgebildet der öffnet, der sobald ein Strom durch die genannte niederohmige Spule einen bestimmten Wert überschreitet. Wenn dies geschieht bricht das durch die Spule erzeugte Magnetfeld zusammen und generiert in derselben oder in einer anderen vom Magnetfeld zuvor durchfluteten Spule eine im Vergleich zur Eingangsspannung höhere Spannung. Diese kann über die Diode ausgekoppelt werden und lädt einen Speicherkondensator, das kapazitive Element 9. Nachdem das Magnetfeld zusammengebrochen ist, schließt das Relais 13 selbsttätig wieder und der Vorgang läuft erneut ab. Dies wiederholt sich solange, bis die Spannung und die Energiemenge im kapazitiven Element 9 ausreicht um eine halbleiterbasierte zweite Spannungswandlerschaltung 16 zu "starten". Wenn diese halbleiterbasierte zweite Spannungswandlerschaltung dann stabil läuft, wird diese über die Schaltmittel 18 direkt mit der Spannungsquelle 1 und der Überbrückung der ersten Spannungswandlerschaltung 2 verbunden.
  • 1
    Spannungsquelle
    2
    Erste Spannungswandlerschaltung
    3
    Ausgang der ersten Spannungswandlerschaltung
    4
    Eingang der ersten Spannungswandlerschaltung
    5
    Verbraucher
    6
    Eingangsschaltkreis
    7
    Elektromechanisches Schaltglied
    8
    Induktivität
    9
    Kapazitives Element
    10
    Ausgangsschaltkreis
    11
    Schaltelement
    12
    Betätigungselement
    13
    Relais
    14
    Erregerstromkreis
    15
    Diode
    16
    Zweite Spannungswandlerschaltung
    17
    Ausgang der zweiten Spannungswandlerschaltung
    18
    Schaltmittel
    19
    Strombegrenzungseinrichtung
    20
    Transformator
    21
    Primärspule/Primärwicklung
    22
    Sekundärspule/Sekundärwicklung
    23
    Wicklung
    24
    Mittenabgriff
    25
    Ferromagnetischer Kern

Claims (20)

  1. Anordnung mit zumindest – einer elektrischen Spannungsquelle (1) und – einer ersten Spannungswandlerschaltung (2) mit einem Ausgang (3) und einem Eingang (4), wobei die elektrische Spannungsquelle (1) mit dem Eingang (4) der ersten Spannungswandlerschaltung (2) verbunden ist und der Ausgang (3) der ersten Spannungswandlerschaltung (2) mit einem elektrischen Verbraucher (5) verbindbar ist, wobei ein Eingangsschaltkreis (6) mit einem elektromechanischen Schaltglied (7) und einer Induktivität (8) gebildet ist und sich das Schaltglied (7) in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe selbsttätig einmal oder mehrmals öffnet und schließt und wobei ein Ausgangsschaltkreis (10) mit zumindest einem kapazitiven Element (9) gebildet ist.
  2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsschaltkreis (6) sehr niederohmig ausgebildet ist.
  3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Größe eine Temperatur, eine elektrische Größe, eine Lichtstärke, ein Gasdruck oder ähnliches ist.
  4. Anordnung nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom, gegeben durch die Spannungsquelle (1) ist.
  5. Anordnung nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Schaltglied (7) mit der Induktivität (8) in Serie geschaltet ist.
  6. Anordnung nach einem der vorgehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Schaltglied (7) ein Schaltelement (11) und ein elektromotorisch betriebenes Betätigungselement (12) enthält.
  7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Schaltglied (7) durch ein elektromagnetisches, insbesondere monostabiles, Relais (13) gebildet ist, dessen als Öffnerkontakt (11) gebildetes Schaltelement (11) in einen Erregerstromkreis (14) des Relais eingebunden ist.
  8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (8) durch eine Erregerspule des Relais (13) gebildet ist.
  9. Anordnung nach einem der vorgehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (13) ein Reedrelais ist.
  10. Anordnung nach einem der vorgehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (8) als Transformator (20) mit einer niederohmigen Primärwicklung (21) und einer hochohmigen Sekundärwicklung (22) gebildet ist, wobei durch die niederohmige Primärwicklung eine Erregerwicklung des Relais gebildet ist.
  11. Anordnung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (21) und die Sekundärwicklung (22) durch eine Wicklung (23) mit Mittenabgriff (24) gebildet ist.
  12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsschaltkreis (6) mittels einer Diode (15) mit dem Aungangsschaltkreis (10) verbunden ist, dass Ladungsträger vom Eingangsschaltkreis (6) zu dem kapazitiven Element (9) des Ausgangsschaltkreises (10) fließen können.
  13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (3) der ersten Spannungswandlerschaltung (2) mit einem Eingang (15) einer zweiten Spannungswandlerschaltung (16) verbunden ist, wobei der Ausgang (17) der zweiten Spannungswandlerschaltung (16) mit dem elektrischen Verbraucher (5) verbindbar ist.
  14. Anordnung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannungswandlerschaltung (16) eine halbleiterbasierte Spannungswandlerschaltung ist.
  15. Anordnung nach einem der Patentansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (18) vorgesehen sind, die die erste Spannungswandlerschaltung (2) eingangsseitig und/oder ausgangsseitig elektrisch von der Spannungsquelle (1) und/oder der zweiten Spannungswandlerschaltung (16) trennbar machen und damit die zweite Spannungswandlerschaltung (16) mit der Spannungsquelle (1) verbindbar machen.
  16. Anordnung nach Patentanspruch 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (18) in Abhängigkeit eines elektrischen Parameters der zweiten Spannungswandlerschaltung (16) aktivierbar sind.
  17. Anordnung nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Parameter dadurch gegeben ist, dass die zweite Spannungswandlerschaltung (16) arbeitet.
  18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ausgangsschaltkreis (10) der ersten und/oder der zweiten Spannungswandlerschaltung (2/16) eine Strombegrenzungseinrichtung (19) eingebunden ist, so dass eine vorbestimmte maximale Stromstärke am Ausgang der Spannungswandlerschaltung (2/16) nicht erreichbar ist.
  19. Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (1) zumindest ein Energiewandler ist, der nichtelektrische Energie auf ein kleines elektrisches Spannungsniveau umsetzt.
  20. Anordnung nach Patentanspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler zumindest ein Thermoelement und/oder zumindest ein elektrochemischer Energiewandler und/oder zumindest ein elektromechanischer Energiewandler und/oder zumindest eine Brennstoffzelle und/oder zumindest ein Wandler der elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelt ist.
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