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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Lastanpassungsvorrichtung zur
Anpassung des Wertes eines elektrischen Widerstands an einen optimalen
Wert.
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Wesentlich
für zukünftige energieautarke Mikrosysteme sind
sogenannte Mikrogeneratoren. Diese wandeln in der Umgebung latent
vorhandene Energie, wie dies beispielsweise Wärme, Licht,
mechanische Vibrationen und dergleichen sind, in elektrische Energie
um. Ein in der Praxis sehr relevantes Beispiel für einen Mikrogenerator
beruht auf der Umwandlung mechanischer Vibrationsenergie mit Hilfe
des piezoelektrischen Effekts. Das Generatordesign wird bestimmt
von Anforderungen, die sich beispielsweise aus dem Frequenzspektrum
einer bestimmten Anregungsumgebung, die mechanische Resonanzfrequenz
des Resonators oder durch die primär zu erzielende Spannungsamplitude
ergeben.
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1 zeigt
ein Generatormodell mit resistiver Last. Die externe Energie E
Anregung wird in elektrische Energie gewandelt.
Die am Verbraucher umgesetzte Leistung P
L in
Abhängigkeit der Generatorimpedanz Z
G und dem
Lastwiderstand R
L ergibt sich zu
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Für
einen variablen Lastwiderstand RL ergibt
Gleichung (1) ein Maximum für: RL_opt = ZG (2).
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Für
den Fall eines sinusförmigen Generatorstromes mit Frequenz Ω und
einer rein kapazitiven Impedanz C
G gilt:
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Lastwiderstände,
die von dem optimalen Wert abweichen, führen zu einer reduzierten
Leistungsabgabe an den Verbraucher.
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2 zeigt
den für ein konkretes Piezogeneratordesign berechneten
Zusammenhang zwischen Ausgangsleistung, d. h. Leistung, die am Verbraucher
umgesetzt wird, und Verbraucherwiderstand. Im hier gezeigten Beispiel
ergibt sich ein Leistungsmaximum bei einem Lastwiderstand RL = 6 kΩ. Hat nun der Verbraucher einen
Widerstand, der von diesem optimalen Wert abweicht, sinkt die vom
Generator gelieferte Leistung entsprechend. Für einen Verbraucher
mit 500 Ω Eingangswiderstand reduziert sich die Leistung
um 80% von 10 μW auf 2 μW. Es wird darauf hingewiesen,
dass der sich im Beispiel aus dem Generatordesign ergebende, optimale
Widerstandswert von 6 kΩ kein beliebig einstellbarer Parameter
ist, sondern wie vorstehend beschrieben, durch anwendungsspezifische
Randbedingungen festgelegt ist. Andererseits ist auch der Eingangswiderstand
des Verbrauchers nicht beliebig wählbar.
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Herkömmlicherweise
wird eine Systemoptimierung hinsichtlich der Ausgangsleistung bisher
mittels Off-Chip-Kondensatoren oder Spulen erreicht, wobei die Lastimpedanz
zur inneren Impedanz des Generators konjugiert ist. [1]. Ein solches
teilintegriertes System resultiert in deutlich vergrößerter
geometrischer Abmessung und erhöhtem Systempreis. Aus praktischen
Gründen kann diese Anpassung in vielen Fällen
nicht durchgeführt werden, weil die notwendige Spule bauartbedingt zu
groß ist. Beispielsweise beträgt eine Induktivität 285
H, wenn f = 120 Hz, CG = 5,69 nF(1).
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung insbesondere bei einem energieautarken
System, insbesondere Mikrosystem mit einem eine Generatorimpedanz
aufweisenden Mikrogenerator, die an einem Verbraucherwiderstand
umgesetzte elektrische Leistung, bei Abweichung des Wertes des Verbraucherwiderstands
von einem optimalen Wert, weiterhin groß bereit zu stellen.
Es soll die Leistungsverringerung, die beim Betrieb eines Generators
an einem Verbraucher, mit vom optimalen Wert abweichenden Widerstand,
resultiert, reduziert sein. Dies gilt insbesondere für
einen Mikrogenerator, bei dem die verfügbare Leistung naturgemäß kritisch
ist. Es soll eine entsprechende Lastanpassungsvorrichtung bereit
gestellt werden.
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Der
optimale Wert eines Lastwiderstandes RL ist
in Gleichung (2) mathematisch dargestellt.
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Die
Aufgabe wird durch eine Lastanpassungsvorrichtung gemäß dem
Hauptanspruch, eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch
und ein energieautarkes System, insbesondere Mikrosystem gemäß des weiteren
Nebenanspruchs gelöst. Die vorliegende Erfindung betrifft
den Fall eines Verbraucherwiderstandes, der kleiner ist als der
optimale Wert. Die erfindungsgemäße Lösung
der Aufgabe beruht auf einem Schaltungsschema, welches eine Lastanpassung
zwischen Mikrogenerator und elektrischen Verbraucher derart ermöglicht,
dass ein Nettoleistungsgewinn am Verbraucher resultiert. In diesem
Zusammenhang sei auf 3 verwiesen.
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Die
Grundidee für die Lastanpassungsvorrichtung besteht in
der Funktion, den durch den Verbraucher fließenden mittleren
zeitlichen Strom < IL > zu
kontrollieren. Wird der Strom in Bezug auf seinen ursprünglichen Wert
reduziert, entspricht dies im zeitlichen Mittel einer effektiven
Widerstandserhöhung. Liegt der Wert des Verbraucherwiderstands
unter dem optimalen Wert, der mittels Gleichung (2) beschrieben
ist, lässt sich auf diese Weise die vom Mikrogenerator
abgegebene Leistung optimieren.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Architektur, deren Funktion
eine adaptive Anpassung der Lastimpedanz ist. Auf diese Weise wird
die Ausgangsleistung optimiert.
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Gemäß der
erfindungsgemäßen Lösung wird besonders
vorteilhaft die Leistungsabgabe eines Mikrogenerators an einen elektrischen
Verbraucher erhöht. Die erfindungsgemäße
Lösung ist als integrierte Lösung umsetzbar, und
damit im Vergleich mit Lösungen beruhend auf diskreten
reaktiven Elementen kostengünstig. Des Weiteren ist die
erfindungsgemäße Lösung miniaturisierbar.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindungen mit den Unteransprüchen
beansprucht.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Lastanpassungsvorrichtung
als integrierte Teilschaltung eines Power Management Application
Specific Integrated Circuits ausgebildet. Auf diese Weise ist besonders
einfach eine integrierte Lösung bereitstellbar.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird bei einem Wert des Verbraucherwiderstands kleiner
als ein optimaler Wert, die Steuerung des effektiven durch den elektrischen
Verbraucher fließenden elektrischen Strom mittels eines
Schalters ausgeführt. Dies ist eine besonders einfache
Ausführungsart.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird bei einem Wert des Verbraucherwiderstands kleiner
als ein optimaler Wert, die Steuerung des effektiven durch den elektrischen
Verbraucher fließenden elektrischen Strom mittels eines
schaltenden Gleichrichters ausgeführt. Auf diese Weise
können Schalterfunktion und Gleichrichterfunktion kombiniert
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der schaltende Gleichrichter
als Diodenbrückenschaltung bereitgestellt. Auf diese Weise
ist die Gleichrichtung besonders wirksam ausführbar.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind der Schalter oder die
Dioden als schaltbare Complemtary Metalloxid Semiconductor Transistoren
bereitgestellt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine weitere Einrichtung
zur Ansteuerung der Dioden mittels gegenphasiger und kürzerer
als eine Halbperiode lang aktiver Steuerungssignale zur Einstellung der
Strompfade und zur Bereitstellung der Schalterfunktion ausgebildet.
Auf diese Weise kann der durch den Verbraucher fließende
mittlere zeitliche Strom einfach gesteuert werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das energieautarke System
ein energieautarkes Mikrosystem mit mindestens einem, Leistung im
Mikrowattbereich liefernden, Mikrogenerator. Gerade bei diesen Mikrosystemen
ist eine Anpassung an einen optimalen Wert besonders vorteilhaft
und sinnvoll.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Mikrogenerator ein
Piezogenerator mit einer kapazitiven Generatorimpedanz. Dies ist
eine besonders wirksame und zuverlässige Ausführungsform.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
herkömmliches Modell eines Mikrogenerators;
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2 ein
Diagramm zur Darstellung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit
vom Verbraucherwiderstand;
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3 ein
energieautarken Mikrosystems mit einer erfindungsgemäßen
Lastanpassungsvorrichtung;
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4 ein
energieautarkes Mikrosystems mit einem ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel einer Lastanpassungsvorrichtung;
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5 ein
energieautarkes Mikrosystems mit einem zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel einer Lastanpassungsvorrichtung;
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6a und 6b zeigen
den zeitlichen Verlauf der Leistung am elektrischen Verbraucher
für nicht optimalen Lastwiderstand für herkömmlichen
(6a) und erfindungsgemäßen (6b)
Betrieb;
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7 zeigt
eine Darstellung zum Vergleich der Ausgangsleistung für
herkömmlichen Betrieb und erfindungsgemäßer
Ansteuerung.
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1 zeigt
ein herkömmliches Modell eines Mikrogenerators 3.
Die externe Energie EAnregung wird in elektrische
Energie gewandelt. Die externe in der Umgebung latent vorhandene
Energie, beispielsweise in Form von Wärme, Licht, mechanische
Vibrationen und so weiter, wird in elektrische Energie umgewandelt.
Die Formel (1) beschreibt die am Verbraucher umgesetzte Leistung
PL in Abhängigkeit von der Generatorimpedanz
ZG und des Lastwiderstandes RL.
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2 zeigt
die am elektrischen Verbraucher umgesetzte Ausgangsleistung in Abhängigkeit
vom Verbraucherwiderstand 7. Im hier dargestellten Beispiel
ergibt sich ein Leistungsmaximum bei RL =
6 kΩ. Hat nun der elektrische Verbraucher 7 einen
Widerstand, der von diesem optimalen Wert abweicht, sind die vom
Generator 1 gelieferte Leistung entsprechend. Für
einen Verbraucher 7 mit 500 Ω Eingangswiderstand
reduziert sich die Leistung um 80% von 10 μW auf 2 μW.
An dieser Stelle soll noch einmal hervorgehoben werden, dass der
sich im Beispiel aus dem Generatordesign ergebende, optimale Widerstandswert
von 6 kΩ kein beliebig einstellbarer Parameter ist, sondern
wie vorstehend bereits beschrieben, durch Anwendung spezifischer Randbedingungen
festgelegt ist. Des Weiteren ist ebenso der Eingangswiderstand des
Verbrauchers 7 nicht beliebig wählbar.
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3 zeigt
ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen
Anordnung am Beispiel eines Mikrogenerators 3; 9 auf
Basis des piezoelektrischen Effekts. Es erfolgt eine Lastanpassung
mittels einer Lastanpassungsvorrichtung 11 zwischen Generator 1 und
Verbraucher 7 derart, dass ein Netto-Leistungsgewinn am
Verbraucher 7 resultiert.
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4 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines energieautarken Mikrosystems
mit einer erfindungsgemäßen Lastanpassungsvorrichtung 11.
Dabei ist die Lastanpassungsvorrichtung 11 als Schalter 13 verwirklicht. 4 zeigt
eine mögliche Implementierung der erfindungsgemäßen
Idee. Die Steuerung des effektiven Laststromes ist mit Hilfe einer
Schalters 13 realisiert. Der Vorteil dieser sehr einfachen
Ausführungsform besteht im minimalen Leistungsverbrauch
der Lastanpassungsvorrichtung 11. Es wird lediglich Ladung,
das heißt Energie, zum Aufladen der Gatekapazität
des Schalters 13 benötigt. Eine Ausführungsform
eines Schalters ist damit ein Feldeffekttransistor.
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6a zeigt
den zeitlichen Verlauf der Leistung für den herkömmlichen
und 6b für den erfindungsgemäßen
Betrieb eines Generators 1. Gemäß 6b erfolgt
kurzzeitig eine hohe Leistungsabgabe, die ebenso im zeitlichen Mittel
zu einer Leistungssteigerung führt. 6a zeigt
den herkömmlichen Berieb, 6b zeigt
den erfindungsgemäßen Betrieb. Beide 6a und 6b zeigen
den zeitlichen Verlauf der Leistung am Verbraucher 7 für
nicht optimalen Lastwiderstand mit einem Wert von RL =
300 Ω bei einem optimalen Lastwiderstand RL Optimum
= 6 kΩ.
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7 zeigt
einen Vergleich der Ausgangsleistung für herkömmlichen
Betrieb und bei erfindungsgemäßer Ansteuerung,
die hier mit Querstrichen gekennzeichnet ist, in Abhängigkeit
vom Lastwiderstand 7. 7 zeigt
den Vorteil der erfindungsgemäßen Ansteuerung
für Lastwiderstände 7, die kleiner als
der vom Generator 1; 3; 9 vorgegebene
optimale Wert sind.
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5 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines energieautarken Mikrosystems
mit erfindungsgemäßer Lastanpassungsvorrichtung 11.
Dabei erfolgt die Realisierung der Lastanpassungsvorrichtung 11 mit Taktschema
für eine Gleichrichterschaltung 14. 5 zeigt
ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.
Es wird das elektrische Signal des Generators 1; 3; 9 in
einem ersten Schritt gleichgerichtet. Im Fall der Mikrogeneratore 3,
deren Leistung im Mikrowattbereich liegt, ist die Gleichrichterschaltung 14 normalerweise in
Form einer Diodenbrücke 15 ausgeführt.
Die Dioden können dabei vorteilhaft als schaltbare complementary metalloxid
semiconductor (CMOS-)Transistoren realisiert werden [2]. Die Brückenschaltung 15 benötigt
Kontrollsignale, welche die Transistoren steuern und somit den richtigen
Strompfad garantieren. Typischerweise sind diese Steuerungssignale
f1SW und f2SW gegenphasig,
und eine Halbperiode lang aktiv [2]. In der erfindungsgemäßen
Ausführungsform ermöglichen die Steuerungssignale
f1SW und f2SW nicht
nur die Gleichrichtung, sondern ebenso die Funktionalität
des zusätzlichen Schalters 13, der im ersten Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde. Auf diese Weise können die Kontrollsignale
weniger als eine Halbperiode lang aktiv sein. Dies entspricht einem
höheren effektiven Lastwiderstand 7. Dies führt
zu einer Leistungsoptimierung. Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel wird somit gleichzeitig die Funktion
einer Gleichrichterbrücke 15 und die Anpassung
der Lastimpedanz 7 bereitgestellt.
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Verwendete
Literatur:
- [1] Xu Shengwen, K. D. T.
Ngo, T. Nishida, Chung Gyo-Bum, A. Sharma, "Converter and Controller
for Micro-Power Energy Harvesting", APEC 2005, 2005.
- [2] R. W. Erickson, D. Maksimovic, "Fundamentals of
Power Electronics", Springer Science + Business Media, LLC, 2001
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Xu Shengwen,
K. D. T. Ngo, T. Nishida, Chung Gyo-Bum, A. Sharma, "Converter and
Controller for Micro-Power Energy Harvesting", APEC 2005, 2005 [0039]
- - R. W. Erickson, D. Maksimovic, "Fundamentals of Power Electronics",
Springer Science + Business Media, LLC, 2001 [0039]
