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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Potentialwandlervorrichtung
und ein Verfahren zur Potentialwandlung, wie es beispielsweise bei Schaltreglern
oder Spannungsreglern vorkommt. Insbesondere kann die Potentialwandlervorrichtung
und das Verfahren zum Potentialwandeln bei Powermanagementanwendungen
für Quellen
mit geringer kontinuierlicher Leistungsabgabe, wie z. B. bei Thermogeneratoren
oder Piezowandlern, die eine geringe Leistungsabgabe von beispielsweise
0.5 Watt aufweisen können,
eingesetzt werden.
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Das
technische Einsatzgebiet der hier beschriebenen Erfindung ist vorzugsweise
eine Potentialwandlervorrichtung, deren Leistungsaufnahme unverändert bleibt,
wohingegen deren Energieverbrauch gegenüber einer herkömmlichen
Potentialwandlervorrichtung sinken kann.
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Bei
einer Energiequelle mit sehr geringer Energieausbeute kann es passieren,
dass bei dem Einsatz eines Schaltreglers dieser im Betrieb annähernd die
gleiche Leistung aufnimmt, als von der Energiequelle abgegeben wird.
Bei üblichen
Leistungsmanagement-(Power Management-)Konzepten werden in der Regel
einzelne Funktionsblöcke
z. B. durch separate Spannungsregler ab- und zugeschaltet. Dabei ist
es erforderlich, dass die Energiequelle immer ausreichend Strom
liefert, um mindestens die für
die Steuerung und Überwachung
notwendige Kontrolleinheit sowie die Spannungsregler mit Energie
zu versorgen. Dadurch wird im regulären Betrieb immer ein Teil
der Quellenergie für
das Powermanagement aufgewendet.
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Konventionelle
Potentialwandlervorrichtungen bzw. Schaltregler verbrauchen selbst
einen Teil der Energie, die sie umwandeln sollen. Liefert eine Energiequelle
in etwa die gleiche Energie, wie der Schaltregler verbraucht, so
steht am Ausgang für
den eigentlichen Verbraucher nicht mehr ausreichend Energie zur
Verfügung.
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Potentialwandlervorrichtungen
können
beispielsweise in batteriegespeisten Geräten eingesetzt werden, in denen
die Elektronik einer Applikation gegenüber einer Batteriespannung
eine höhere
Spannung benötigt,
so wie es z. B. bei Notebooks, Mobiltelefonen oder Photoblitzlichtgeräten der
Fall ist. Weitere Beispiele für
den Einsatz solcher Potentialwandlereinrichtungen sind die Übertragung
von Messwerten von Sensoren, wie z. B. Temperatursensoren in einem
Bratofen zur Übertragung
von Temperaturwerten und/oder Druckwerten.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein
Verfahren zu schaffen, um ein leistungseffizientere Versorgung eines
elektrischen Verbrauchers zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Vorrichtung gemäß Anspruch
1 und dem Verfahren gemäß Anspruch
11.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Potentialwandlervorrichtung mit
einem ersten Speicherkondensator S1, der ausgebildet ist, um aus
einer Energiequelle mit Energie versorgt zu werden, um einen ersten
Potentialverlauf an dem ersten Speicherkondensator S1 zu erhalten
und einen zweiten Speicherkondensator S2, der ausgebildet ist, um
aus dem ersten Speicherkondensator S1 mit Energie versorgt zu werden,
um einen zweiten Potentialverlauf an dem zweiten Speicherkondensator
S2 zu erhalten. Ferner weist die Potentialwandlervorrichtung eine
Wandlereinrichtung auf, die elektrisch zwischen dem ersten und zweiten
Speicherkondensator geschaltet ist und die ausgebildet ist, um eine
Energieübertragung
von dem ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkondensator
S2 vorzunehmen, falls der erste Potentialverlauf einen ersten Potentialschwellwert P1
erreicht, und bis der erste Potentialverlauf einen zweiten Potentialschwellwert
P2 erreicht, und wobei der erste Po tentialschwellwert P1 betragsmäßig größer ist,
als der zweite Potentialschwellwert P2.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zu einer Potentialwandlung.
Das Verfahren weist ein Versorgen eines ersten Speicherkondensators
S1 aus einer Energiequelle mit Energie auf, um einen ersten Potentialverlauf
an dem ersten Speicherkondensator S1 zu erhalten. Ferner weist das Verfahren
ein Versorgen eines zweiten Speicherkondensators S2, mit Energie
aus dem ersten Speicherkondensator S1 auf, um einen zweiten Potentialverlauf
an dem zweiten Speicherkondensator S2 zu erhalten. Das Verfahren
zur Potentialwandlung weist ferner ein Übertragen einer Energie mit
einer Wandlereinrichtung, die elektrisch zwischen dem ersten und
dem zweiten Speicherkondensator geschaltet ist von dem ersten Speicherkondensator
S1 auf den zweiten Speicherkondensator S2 auf, falls der erste Potentialverlauf
einen ersten Potentialschwellwert P1 erreicht, und um die Energieübertragung
zu beenden, falls der erste Potentialverlauf einen zweiten Potentialschwellwert
P2 erreicht und wobei der erste Potentialschwellwert P1 betragsmäßig größer ist,
als der zweite Potentialschwellwert P2.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung bieten den Vorteil, dass die Leistungsaufnahme
einer Potentialwandlervorrichtung unverändert bleibt, jedoch deren
Energieverbrauch deutlich sinkt, da die Potentialwandlervorrichtung
während
einer kürzeren
Zeitperiode die Energie vom Speicherkondensator S1 auf den Speicherkondensator
S2 überträgt, als
während
einer längeren
anderen Zeitperiode, in der der Speicherkondensator S1 aus einer
Energiequelle mit Energie versorgt wird. In Ausführungsbeispielen zu dem Verfahren
zur Potentialwandlung bzw. der Potentialwandlervorrichtung kann ein
deutlich höherer
Wirkungsgrad durch eine höhere Leistung
während
der kurzzeitigen Übertragung
der Energie von dem ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten
Speicherkondensator S2 erzielt werden, gegenüber einer kontinuierlichen
Energieübertragung,
der um ein Vielfaches niedrigeren Leistung der Energiequelle auf
dem Speicherkondensator S1.
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In
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird ein erstes Energiespeicherelement der
Potentialwandlervorrichtung mit Energie aus einer Energiequelle
versorgt. Mit Hilfe einer Wandlereinrichtung wird die Energie bei
Erreichen eines ersten Schwellenergiewertes auf ein zweites Energiespeicherelement
der Potentialwandlervorrichtung übertragen,
wobei die Energie in dem ersten Energiespeicherelement abnimmt.
Bei Erreichen eines zweiten Schwellenergiewertes an dem ersten Energiespeicherelement
wird die Wandlereinrichtung deaktiviert, so dass keine weitere Energie übertragen
wird, bis der erste Schwellenergiewert durch die Versorgung mit
Energie aus der Energiequelle auf dem ersten Energiespeicherelement
wieder überschritten bzw.
erreicht wird.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Blockdarstellung einer Potentialwandlervorrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
schematisches Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise
der Potentialwandlervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
weiteres prinzipielles Blockschaltbild einer Potentialwandlervorrichtung
mit einer Steuereinrichtung und einer Rückkopplungseinheit gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Schaltung einer Wandlereinrichtung der Potentialwandlervorrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5a eine
Komparator-Hystereseschaltung für
eine Steuereinrichtung der Potentialwandlervorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5b ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
Steuereinrichtung der Potentialwandlervorrichtung; und
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6 ein
Flussdiagramm zum Verfahren zur Potentialwandlung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Bezüglich der
nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen
Figuren für
funktional, identische bzw. gleichwirkende oder funktionsgleiche äquivalente Elemente
oder Schritte zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die
gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
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1 zeigt
ein prinzipielles Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Potentialwandlervorrichtung 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung, welches im Folgenden unter Bezug auf 2 erläutert wird.
Die Potentialwandlervorrichtung 100 in 1 weist
ein erstes Speicherelement, beispielsweise einen Speicherkondensator
S1 auf, der ausgebildet ist, um aus einer Energiequelle 5 mit
Energie versorgt zu werden, um einen ersten Potentialverlauf an
dem ersten Speicherkondensator S1 zu erhalten. Die Potentialwandlervorrichtung 100 weist
in 1 ferner ein zweites Speicherelement, beispielsweise einen
zweiten Speicherkondensator S2 auf, der ausgebildet ist, um aus
dem Speicherkondensator S1 mit Energie versorgt zu werden, um einen
zweiten Potentialverlauf an dem zweiten Speicherkondensator S2 zu
erhalten. Die Potentialwandlervorrichtung 100 weist in 1 weiterhin
eine Wandlereinrichtung 10 auf, bei der es sich beispielsweise
um einen DC/DC-Wandler handelt, der elektrisch zwischen dem ersten
S1 und zweiten S2 Speicher kondensator geschaltet ist und der ausgebildet
ist, um eine Energieübertragung
von dem ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkondensator
S2 vorzunehmen, falls der erste Potentialverlauf einen ersten Potentialschwellwert 21 erreicht
und solange bis der erste Potentialverlauf einen zweiten Potentialschwellwert
P2 erreicht, wobei der erste Potentialschwellwert P1 betragsmäßig größer ist,
als der zweite Potentialschwellwert P2. Eine kontinuierliche Versorgung
eines Verbrauchers 8 ist möglich, wenn der zweite Speicherkondensator
S2 ausreichend dimensioniert ist.
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Die
Wandlereinrichtung 10 oder der Schaltregler ist so konzipiert,
dass dieser ab einer definierten oberen Spannungsschwelle – der ersten
Potentialschwelle P1 bezogen auf ein Bezugspotential – am Eingang
beginnt, die Energie aus dem ersten Speicherkondensator S1 in den
zweiten Speicherkondensator S2 am Ausgang der Wandlereinrichtung
zu transferieren. Beispielsweise kann dann nach dem Prinzip eines
Step-Up-Konverters bzw. eines Aufwärtswandlers, der zweite Speicherkondensator
S2 auf ein höheres
Potential bzw. bezogen auf ein Bezugspotential auf eine höhere Spannung
aufgeladen werden. Diese höhere
Spannung kann von einem Verbraucher 8 abgegriffen werden
bzw. an einem Verbraucher 8 angelegt werden kann.
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Bei
Erreichen eines zweiten Potentialschwellwertes P2 bzw. einer zweiten
unteren Schwellspannung kann der Schaltregler 10 seinen Betrieb
einstellen. Das heißt,
es wird aktiv keine Energie mehr von dem Speicherkondensator S1
auf den Speicherkondensator S2 übertragen.
Durch die Energieübertragung
bzw. den Energietransfer von dem ersten Speicherkondensator S1 auf
den zweiten Speicherkondensator S2 mit Hilfe der Wandlereinrichtung
sinkt der Potentialverlauf bzw. im Bezug auf ein Bezugspotential
die abgreifbare Spannung am ersten Speicherkondensator S1. Während der
Zeitdauer in der keine Energieübertragung
von dem Speicherkondensator S1 auf den Speicherkondensator S2 durch
die Wandlereinrichtung 10 durchgeführt wird, nimmt die Wandlereinrich tung
bzw. der Schaltregler keine Leistung auf. In dieser Zeitdauer kann die
gesamte Energie, die von der Quelle 5 bereitgestellt wird
in den ersten Speicherkondensator S1 fließen. Bei Erreichen der oberen
Schwelle, – der
ersten Potentialschwellwertes P1 – kann die Energieübertragung
durch die Wandlereinrichtung 10 vom ersten in den zweiten
Speicherkondensator von neuem beginnen. Durch die Implementierung
eines ersten Potentialschwellwertes und eines zweiten Potentialschwellwertes
bzw. einer oberen und unteren Schwellspannung ergibt sich bei der
Wandlereinrichtung 10 ein Hystereseverhalten.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann die Wandlereinrichtung 10 so ausgebildet
sein, um durch die Energieübertragung bzw.
dem Energietransfer vom ersten Speicher S1 auf den zweiten Speicher
S2 ein betragsmäßig größeres maximales
Potential P2 max am
zweiten Speicher S2 auszubilden, als ein maximales Potential P1 max am ersten Speicher
S1, welches durch die Versorgung mit Energie aus der Energiequelle 5 aufgebaut
wird. Dadurch kann eine maximale abgreifbare Ausgangsspannung UA max am Speicher
S2 größer sein,
als eine maximal am ersten Speicher S1, der Wandlereinrichtung zur
Verfügung
gestellte abgreifbare Eingangsspannung UE max, bezogen auf ein gemeinsames Bezugspotential.
In anderen Worten kann durch eine Aufwärtswandlung einem Verbraucher 8 eine
größere Spannung
zur Verfügung
gestellt werden, als eine Quelle 5 zur Verfügung stellt.
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Mit
Hilfe der Wandlereinrichtung 10 kann also die Potentialwandlervorrichtung 100 eine
Quellspannung einer Energiequelle 5 in eine höhere Ausgangsspannung
wandeln. Solche Wandlereinrichtungen können auf unterschiedliche Weise
realisiert werden. Aufwärtswandler
werden in vielen batteriegespeisten Geräten eingesetzt, in denen die
Elektronik einer Applikation eine höhere Spannung benötigt, als
beispielsweise von einer Batterie, die als Quelle fungiert, geliefert
werden kann.
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Bei
der Wandlereinrichtung 10 kann es sich also beispielsweise
um einen Gleichspannungswandler, wie z. B. einen Hochsetzteller
bzw. Step-up-Konverter handeln. Die Wandlereinrichtung kann dabei
so ausgebildet sein, dass in einem getakteten Betrieb Energie portionsweise
von einer Eingangsseite, also dem ersten Speicherkondensator S1
auf die Ausgangsseite, also den Speicherkondensator S2 transportiert
wird. Die Wandlereinrichtung 10 kann einen Schalter bzw.
einen Leistungsschalter aufweisen, einen Energiespeicher und einen
Glättungskondensator.
Die abgreifbaren Spannungen bzw. der zweite Potentialverlauf an
dem Speicherkondensator S2 können
sich in ihrem Verlauf und in ihrer Größe unterscheiden und hängen u.
a. von dem Verbraucher 8 und der von dem Verbraucher entnommenen
Energie ab und den jeweiligen RC-Zeitkonstanten ab. Dies gilt sowohl
für die
Ausgangsseite, als auch für
die Eingangsseite, bei der die RC-Konstante des Speicherkondensators S1
zusammen mit der Quelle 5 für den ersten zeitlichen Potentialverlauf ausschlaggebend
ist. Bei der Wandlereinrichtung 10 kann es sich um einen
induktiven Wandler handeln, der zu einer Zwischenspeicherung der
Energie, die vom Speicherkondensator S1 zu dem Speicherkondensator
S2 übertragen
wird, eine Induktivität
benutzt, wobei die Induktivität
als Spule oder beispielsweise auch als Wandlertransformator ausgebildet sein
kann. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Wandlereinrichtung 10 als
kapazitiver Wandler ausgebildet ist, bei der die zwischenzuspeichernde
Energie kapazitiv gespeichert wird. Solche kapazitiven Wandler werden
auch als Ladungspumpen bezeichnet. Die Wandlereinrichtung 10 kann
beispielsweise auch als DC/DC-Wandler ausgebildet sein, der einen Transformator
enthält
und eine Potentialtrennung zwischen einer Eingangsseite der Wandlereinrichtung 10 und
einer Ausgangsseite der Wandlereinrichtung 10 aufweist.
Es kann also eine galvanische Trennung zwischen der Ein- und Ausgangsseite
und damit zwischen der Eingangsspannung am Speicherkondensator S1
und der Ausgangsspannung, die von einem Verbraucher am Speicherkondensator S2
abgreifbar ist, vorliegen. Denkbar ist auch der Einsatz von Schaltnetzteilen,
die als Wandlereinrichtung 10 dienen.
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Die
Potentialwandlervorrichtung 100 kann in einen anderen Ausführungsbeispiel
eine Wandlereinrichtung 10 aufweisen, die ferner ausgebildet
ist, um eine Energieübertragung
vom ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkondensator S2
zu beenden, falls der zweite Potentialverlauf an dem zweiten Speicherkondensator
S2 einen dritten Potentialschwellwert P3 erreicht. In anderen Worten kann
die Wandlereinrichtung 10 so ausgebildet sein, dass sie
eine weitere Energieübertragung
vom Speicherkondensator S1 auf den Speicherkondensator S2 beendet,
falls eine vorbestimmte Ausgangsspannung am Speicherkondensator
S2 abgreifbar ist. Dadurch kann also in einem Leerlaufbetrieb, während dessen
von einem Verbraucher aus dem Speicherkondensator S2 keine Energie
entnommen wird und daher die Ausgangspannung UA ungeregelt
ansteigen könnte,
verhindert werden, dass die Potentialwandlervorrichtung zerstört werden
würde.
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In
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann dazu die Wandlereinrichtung 10 der Potentialwandlervorrichtung 100 eine
Rückkoppelschleife
bzw. Rückkoppeleinrichtung
aufweisen, die so mit der Wandlereinrichtung gekoppelt ist, dass
die Energieübertragung
vom ersten Speicherkondensator S1 zu dem zweiten Speicherkondensator
S2 beendet wird, wenn bezogen auf ein Bezugspotential eine vorbestimmte
Ausgangsspannung UA am zweiten Speicherkondensator
S2 abgreifbar ist.
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In 2 ist
in einem schematischen Zeitdiagramm die Funktionsweise der Potentialwandlervorrichtung
bzw. das Verfahren zum Wandeln eines Potentials schematisch dargestellt.
In 2 ist zum einen in dem Diagramm A der erste Potentialverlauf 20a des
ersten Speicherkondensators S1 schematisch dargestellt und in dem
zweiten Diagramm B der zweite Potentialverlauf 20b des
zweiten Speicherkondensators S2. Auf der X-Achse beider Diagramme
ist der zeitliche Verlauf des ersten und zweiten Potentialverlaufes 20a und 20b in
willkürlichen
Einheiten dargestellt. Auf den Y-Achsen der beiden Diagramme A und
B sind die jeweiligen Potentiale – bzw. bezogen auf ein Bezugspotential
wie z. B. der Masse – die
Spannungswerte an dem ersten Speicherkondensator S1 und dem zweiten
Speicherkondensator S2 dargestellt. Die Potentialwandlervorrichtung
kann zyklisch bzw. periodisch arbeiten und sich in Auflade- bzw.
Entladezeitabschnitte aufteilen. Beispielsweise wird ausgehend von
der Situation, in der durch eine Energiequelle der erste Speicherkondensator
S1 auf einen maximalen Potentialwert P1 max, welcher durch die Energiequelle gegeben
ist und der höher
oder identisch sein kann zu dem ersten Potentialschwellwert P1,
der zweite Speicherkondensator S2 (Diagramm B) bis zu einem maximalen
Potentialwert P2 max aufgeladen.
Dies kann beispielsweise mit einer Wandlereinrichtung, die als Aufwärtswandler
ausgebildet ist durchgeführt
werden, so dass der maximale Potentialwert P2 max größer ist,
als der maximale Potentialwert P1 max. Durch die Übertragung der Wandlereinrichtung
sinkt das Potential bzw. die Spannung am ersten Speicherkondensator
S1 (Diagramm A) bis die erste Potentialverlaufskurve 20a zum
Zeitpunkt t11 den zweiten Potentialschwellwert
P2 erreicht. Bei Erreichen dieses unteren Potentialschwellwertes
P2 stellt die Wandlereinrichtung 10 ihren Betrieb ein und überträgt damit
keine weitere Energie von dem Speicherkondensator S1 auf den Speicherkondensator
S2. Ab dem Zeitpunkt t11 fließt also
die gesamte Energie (also die Ladung der Quelle 5 (siehe 1))
wieder in den ersten Speicher S1. Der erste Speicherkondensator
S1 lädt
sich dann u. a. abhängig
von dessen RC-Konstante auf. Sobald der erste Potentialverlauf 20a zum
Zeitpunkt t12 den ersten Potentialschwellwert
P1 erreicht, wird eine Energieübertragung
durch die Wandlereinrichtung von dem Speicherkondensator S1 auf
den zweiten Speicherkondensator S2 vorgenommen. Der erste Speicherkondensator
S1 wird also in einer ersten Zeitperiode T1, deren Anfangszeitpunkt
t11 durch das Erreichen des zweiten Potentialschwellwertes P2 und dessen
Endzeitpunkt t12 durch das Erreichen des
ersten Potentialschwellwertes P1 im ersten Potentialverlauf 20a gegeben
ist, durch die Energiequelle aufgeladen. Während dieser Zeit kann aus
dem zweiten Speicherkondensator S2, wie der zweiten Potentialverlaufskurve 20b (Diagramm
B) zu entnehmen ist, abhängig
von einem angeschlossenen Verbraucher 8 Energie entnommen
werden. In dem Beispiel in 2 weist
ein Verbraucher einen linearen Leistungsverbrauch auf. Wie der zweiten
Potentialverlaufskurve 20b zu entnehmen ist, findet zum
Zeitpunkt t21, der dem Zeitpunkt t12 entsprechen kann, eine Energieübertragung
von dem ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkondensator
S2 statt. Dadurch kann die zweite Potentialverlaufskurve 20b abhängig von
der genauen Funktionsweise der Wandlereinrichtung rascher ansteigen, als
die erste Potentialverlaufskurve 20a in der ersten Zeitperiode
T1. Durch den Energietransfer sinkt, die erste Potentialverlaufskurve 20a während dieser zweiten
Zeitperiode T2 am ersten Speicherkondensator S1 wieder. Der Endzeitpunkt
t22 der zweiten Zeitperiode T2 ist dann
wieder durch das Erreichen des zweiten Potentialschwellwertes in
der ersten Potentialsverlaufskurve 20a bestimmt. Das heißt, die
jeweiligen ersten Zeitperioden T1 und die jeweiligen zweiten Zeitperioden
T2 können
untereinander auch unterschiedlich lang sein.
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Mit
der Potentialverlaufskurve 20c ist beispielsweise die Situation
veranschaulicht, in der kein Verbraucher Energie aus dem zweiten
Speicherkondensator S2 entnimmt und die Wandlereinrichtung weiter
Energie von dem ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkondensator
S2 überträgt. Die
Potentialwandlervorrichtung kann nun beispielsweise eine Steuereinrichtung
oder eine Rückkoppeleinrichtung
aufweisen, die so ausgebildet ist um die Übertragung der Energie von
dem ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkondensator
S2 zu beenden falls ein dritter Potentialschwellwert P3 erreicht
wird. Der Unterschied ΔP zwischen
dem maximalen Potentialwert P2 max und
P3 kann null sein, d. h. beide sind identisch, oder aber auch von
null verschieden.
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Allgemein
liegt dem Verfahren zur Potentialwandlung bzw. der Potentialwandlervorrichtung
in diesem Ausführungsbeispiel
zugrunde, dass in einem bestimmten Zeitraum, beispielsweise der
ersten Zeitperiode T1 Energie in dem Speicherkondensator S1 gesammelt
wird, die dann mit Hilfe der Wandlervorrichtung um ein Vielfaches
schneller bzw. mit einer höheren
elektrischen Leistung auf die Ausgangsseite der Wandlereinrichtung
also auf den zweiten Speicherkondensator S2 übertragen wird. Während der
Energieübertragung
findet gleichzeitig die Aufwärtswandlung
einer Spannung statt. Während
auf der Eingangsseite also am ersten Speicherkondensator S1 ein
maximales Potential P1 max erreicht
werden kann, welches durch die Energiequelle 5 bestimmt
ist und mit P1 übereinstimmen
kann, so kann auf der Ausgangsseite abhängig von der Wandlereinrichtung
ein größeres Potential
P2 max und damit
eine höhere
Ausgangsspannung UA max,
ausgebildet werden, die einem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden
kann. In der Zeit, also beispielsweise in der ersten Zeitperiode
T1, in der keine Energieübertragung
durch die Wandlereinrichtung vom ersten Speicherkondensator S1 auf
den zweiten Speicherkondensator S2 stattfindet, kann eine kontinuierliche Versorgung
eines Verbrauchers mit Energie möglich sein,
wenn der zweite Speicherkondensator S2 geeignet dimensioniert ist.
Wie der zweiten Potentialverlaufskurve 20b zu entnehmen
ist, sinkt das Potential des zweiten Speicherkondensators S2 je
nach Verbrauch.
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Wie
der 2 weiterhin zu entnehmen ist, können sich
die Zeitperioden T1 und T2 zyklisch bzw. periodisch wiederholen,
wobei eine Wandlereinrichtung während
der Zeitperiode T2 Energie von dem Speicher S1 auf den Speicher
S2 überträgt und während der
ersten Zeitperiode T1 nicht. Das heißt, nach der Übertragung
der Energie also beim Endzeitpunkt t22 der
Energieübertragung
kann eine zeitliche Pause entstehen, in der die Wandlereinrichtung
inaktiv ist und selbst keine Leistung aufnimmt bzw. verbraucht. Dadurch
verringert sich der Verbrauchsanteil der Wandlereinrichtung an dem
Gesamtenergieverbrauch der Potentialwandlervorrichtung. Das heißt, die
Leistungsaufnahme der Wandlereinrichtung bleibt unverändert, jedoch
sinkt deren Energieverbrauch deutlich, da sie nur kurze Zeit, während des Energietransfers
aktiv ist. Daher kann die hier vorgestellte Potentialwandlervorrichtung
weniger Energie verbrauchen als herkömmliche Potentialwandlervorrichtungen.
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Ausführungsbeispiele
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen eine Potentialwandlervorrichtungen, bei der ein
erster Speicherkondensator S1 in einer ersten Zeitperiode T1, deren
Anfangszeitpunkt t11 durch das Erreichen
des zweiten Potentialschwellwertes P2 und dessen Endzeitpunkt t12 durch das Erreichen des ersten Potentialschwellwertes
P1 im ersten Potentialverlauf gegeben ist, aufgeladen wird, und
bei dem die Wandlereinrichtung ausgebildet ist, um die Energieübertragung
nur in einer zweiten Zeitperiode T2, deren Anfangszeitpunkt t21 durch das Erreichen des ersten Potentialschwellwertes
P1 und dessen Endzeitpunkt t22 durch das
Erreichen des zweiten Potentialschwellwertes P2 im ersten Potentialverlauf
gegeben ist durchzuführen.
Die zweite Zeitperiode T2 kann kürzer
sein, als die erste Zeitperiode T1 und damit kann die Wandlereinrichtung
nur während
der kürzeren
Zeitperiode T2 aktiv elektrische Leistung aufnehmen und während der
längeren
ersten Zeitperiode T1 nicht. Dadurch kann ein Wirkungsgrad η = PAbgabe/PAufnahme gegenüber einer
konventionellen Potentialwandlervorrichtung verbessert werden. Der
Wirkungsgrad η der
Potentialwandlervorrichtung kann in Ausführungsbeispielen beispielsweise
70% bis 80% oder größer als
80% sein.
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In
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann das Verhältnis der ersten Zeitperiode T1
zu der zweiten Zeitperiode T2 beispielsweise zwischen 10 und 500,
zwischen 100 und 400, oder größer als
5 bzw. größer als
10 sein. Die erste Zeitperiode T1 kann in einem Ausführungsbeispiel
beispielsweise 100 ms betragen und die zweite Zeitperiode T2 2 ms.
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In 3 ist
schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel
zur vorliegenden Erfindung für
eine Potentialwandlervorrichtung dargestellt. Die Potentialwandlervorrichtung 100 kann
wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist einen ersten
Speicherkondensator S1 und einen zweiten Speicherkondensator S2
aufweisen, die mit einer Quelle 5 bzw. einem Verbraucher 8 elektrisch
verbunden werden können,
sowie eine Wandlereinrichtung 10, die zwischen S1 und S2
gekoppelt ist. Die Wandlereinrichtung 10 kann ferner eine
Rückkoppeleinrichtung
bzw. eine Rückkoppelschleife 10a aufweisen,
die so mit der Wandlereinrichtung gekoppelt ist, dass die Energieübertragung
vom Speicherkondensator S1 zu dem Speicherkondensator S2 beendet
wird, wenn bezogen auf ein Bezugspotential eine vorbestimmte Ausgangsspannung
UA am zweiten Speicherkondensator S2 durch
einen Verbraucher 8 abgreifbar ist. Die Potentialwandlervorrichtung 100 kann
ferner eine Steuereinrichtung 10b aufweisen, wobei die
Steuereinrichtung beispielsweise eine Komparator-Hystereseschaltung bzw. eine Schmitt-Triggerschaltung
sein kann, die ausgebildet ist, um die Energieübertragung von dem ersten Speicherkondensator
S1 auf den zweiten Speicherkondensator S2 zu veranlassen, in dem
sie die Wandlereinrichtung 10 einschaltet, falls ein Spannungswert,
der durch einen aktuellen Potentialwert des ersten Potentialverlaufs
gegenüber
einem Bezugspotential gegeben ist, größer ist, als ein erster Schwellspannungswert
U1, der durch den ersten Potentialschwellwert P1 gegenüber dem
Bezugspotential gegeben ist. Die Steuereinrichtung 10b kann
ferner so ausgebildet sein, die Wandlereinrichtung 10 auszuschalten,
um die Energieübertragung von
dem ersten Speicher S1 auf den zweiten Speicherkondensator S2 zu
beenden, falls ein Spannungswert, der durch einen aktuellen Potentialwert der
ersten Potentialverlaufskurve gegenüber einem Bezugspotential gegeben
ist, kleiner ist, als ein zweiter Schwellspannungswert U2, der durch
den zweiten Potentialschwellwert P2 gegenüber dem Bezugspotential gegeben
ist. Die Steuereinrichtung 10b kann den DC/DC-Wandler 10 bei
Erreichen der jewei ligen Schwellspannungswerte mit der Spannung
Uenable ein- und ausschalten. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
kann die erste Schwellwertspannung U1 beispielsweise 1.0 V sein,
die zweite Schwellwertspannung U2 kann 0.3 V sein und die Ausgangsspannung UA kann 3 V sein.
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Es
sollte darauf hingewiesen werden, dass es sich bei den Potentialwerten
sowohl um positive Potentialwerte als auch um negative Potentialwerte bzw.
um positive oder negative Spannungsversorgungen handeln kann und
daher immer von einer betragsmäßigen Betrachtungsweise
der Potentialwerte bzw. der Potentialschwellwerte ausgegangen werden sollte.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 4 kann die Potentialwandlervorrichtung 100 als
Wandlereinrichtung 10 eine Aufwärtswandlerschaltung aufweisen.
Eine Spannungsquelle 5 kann eine Leerlaufspannung U0 aufweisen und einen hohen Innenwiderstand
besitzen, so dass im unbelasteten Zustand die Ausgangsspannung der
Spannungsquelle gleich der Leerlaufspannung U0 entspricht
und der angeschlossene Speicherkondensator S1 entsprechend aufgeladen
wird. Der Speicherkondensator S1 kann weiterhin an eine Induktivität, beispielsweise
eine Spule L angeschlossen sein. Die Induktivität L kann in Reihe mit einer
Diode D geschaltet sein, hinter der ein zweiter Speicherkondensator
S2 eine Ausgangsspannung UA aufsummiert,
die von einem Verbraucher bzw. einer Last dem zweiten Speicherkondensator
S2 entnommen werden kann. Die Induktivität L kann über einen Schalter S, der als
Transistor ausgebildet sein kann, gegen Masse geschaltet sein. Die Steuerung
des Schalters S bzw. des Transistors kann über eine Steuervorrichtung 10b (nicht
gezeigt in 4) und/oder über eine Rückkopplungseinrichtung 10a getätigt werden.
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Bei
geöffnetem
Schalter bzw. wenn der Transistor sperrt, fließt ein Strom von dem ersten
Speicherkondensator S1 durch die Spule L, durch die in Flussrichtung
gepolte Diode und lädt
den zweiten Speicherkondensator S2 auf. Der zweite Speicherkondensator
S2 wird also auf den Wert der Eingangsspannung UE,
der von dem ersten Speicherkondensator S1 abgreifbar ist, aufgeladen.
Durch die Energieübertragung
von dem ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkondensator
S2 sinkt die Spannung am ersten Speicherkondensator S1. Wird der
Schalter S geschlossen bzw. der Transistor durchgeschaltet, fließt ein Strom
vom ersten Speicherkondensator S1 über den Schalter S nach Masse.
Der resultierende Stromfluss wird durch die Induktivität L und
die ohmschen Widerstände
der Spule und des Transistors bestimmt. Die Diode D sperrt in diesem
Zustand und somit wird der zweite Speicherkondensator S2 nicht entladen.
Das heißt,
die Ausgangsspannung UA wird am zweiten
Speicherkondensator gehalten. Falls nun der Schalter geöffnet wird
bzw. der Transistor wieder sperrt, kann sich der Spulenstrom in
der Induktivität
nicht instantan ändern,
sondern seine Größe und Flussrichtung
bleiben zuerst gleich. Da der Schalter gesperrt ist, fließt ein Strom
durch die Diode und lädt
damit den zweiten Speicherkondensator S2 weiter auf. Da der zweite Speicherkondensator
S2 bereits auf dem Potentialwert des ersten Speicherkondensators
S1 liegt, wird durch die weitere Ladung, die auf dem zweiten Speicherkondensator
S2 aufgebracht wird, dessen Potentialwert über dem Potentialwert des ersten
Speicherkondensators ausgebildet. Das heißt, am zweiten Speicherkondensator
S2 kann eine höhere
Ausgangsspannung zur Verfügung
gestellt werden, als von dem ersten Speicherkondensator S1 abgreifbar ist.
Das getaktete Ein- und Ausschalten des Schalters S während der
zweiten Zeitperiode T2 zur Energieübertragung der Wandlereinrichtung
kann beispielsweise mit einem Impulsbreitenmodulator durchgeführt werden.
Die am zweiten Speicherkondensator abgreifbare Ausgangsspannung
UA kann von dem Tastverhältnis, also dem Verhältnis zwischen
der Zeit in der der Transistor während
der zweiten Zeitperiode T2 eingeschaltet ist und der Zeit in der
Transistor während
der zweiten Zeitperiode T2 ausgeschaltet ist abhängen. Das getaktete Ein- und Ausschalten
des Transistors bzw. des Schalters S während der zweiten Zeitperiode
T2 kann beispielsweise mit einer Frequenz von 1 kHz bis 5 MHz erfolgen,
also beispielsweise mit 100 kHz. Während der ersten Zeitperiode
T1 kann der Schalter S gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung deaktiviert sein.
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Während des
getakteten Betriebes wird Energie portionsweise von dem ersten Speicherkondensator
S1 auf den zweiten Speicherkondensator S2 übertragen. Das heißt, der
getaktete Betrieb zur Aufwärtswandlung
der Spannung und zum Energieübertrag
kann in Ausführungsbeispielen
nur während der
zweiten Zeitperiode T2 (siehe 2) durchgeführt werden.
Nur in der zweiten Zeitperiode T2 verbraucht die Wandlereinrichtung 10,
also beispielsweise der Aufwärtswandler
wie er in 4 beschrieben ist, aktiv Energie.
In diesem Zeitraum (zweite Zeitperiode T2) kann dann nur eine Verlustleistung
auftreten, die die Gesamtenergiebilanz der Potentialwandlereinrichtung
bzw. den Wirkungsgrad der Potentialwandeleinrichtung reduziert.
Im Gegensatz zu kontinuierlich arbeitenden Wandlereinrichtungen
ist also eine Verlustleistung durch den Betrieb der Wandlereinrichtung
reduziert. Die Schaltung zum hochfrequenten Takten des Schalters
zur Aufwärtswandlung kann
Teil der Rückkopplungseinrichtung 10a (3) sein.
In der Rückkopplungseinrichtung 10a kann
also das hochfrequente Taktsignal für die Wandlereinrichtung 10 während der
Zeitperiode T2 erzeugt werden. Die Steuereinrichtung 10b kann
hingegen das Ein- und
Ausschalten der Wandlereinrichtung 10 bei Erreichen der
entsprechenden Potential- bzw. Spannungsschwellwerte durchführen.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist die Wandlereinrichtung als Aufwärtswandler
ausgebildet, wobei eine Induktivität L an eine Eingangsspannung
UE, welche durch den aktuellen Potentialwert
des ersten Potentialverlaufs vom ersten Speicherkondensator S1 gegenüber einem
Bezugspotential gegeben ist, über
einen ersten Anschlusspunkt verbunden ist. Der zweite Anschlusspunkt
der Induktivität
L ist zum einen parallel mit einem Schalter S, der mit dem Bezugspotential verbunden
ist und zum anderen mit einer Diode D, die in Durchlassrichtung
geschaltet ist und die an dem zweiten Speicherkondensator S2 angeschlossen
ist, verbunden.
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In
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann die Wandlereinrichtung einen Schalter
S aufweisen, der als Transistor ausgebildet ist, der durch eine
Komparatorschaltung mit Hysterese bzw. einer Schmitt-Trigger-Schaltung
bei Erreichen einer ersten Schwellspannung U1 eingeschaltet wird
und bei Erreichen einer zweiten Schwellspannung U2 von der Schmitt-Trigger-Schaltung
bzw. der Komparatorschaltung mit Hysterese ausgeschaltet wird.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiels
der Potentialwandlervorrichtung kann die Wandlereinrichtung 10 so
ausgebildet sein, dass bei der Energieübertragung vom ersten Speicherkondensator
S1 auf den zweiten Speicherkondensator S2, der zweite Potentialverlauf
am zweiten Speicherkondensator S2 einen maximalen Potentialwert
P2 max erreicht,
der betragsmäßig größer ist,
als ein maximaler Potentialwert P1 max des ersten Potentialverlaufes am ersten
Speicherkondensator S1, der auf der Versorgung mit Energie aus der
Energiequelle basiert.
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In
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann die Wandlereinrichtung beispielsweise
als Ladungspumpe, als lineare Spannungsregler, als Schaltregler,
als Schaltnetzteil oder als DC/DC-Wandler ausgebildet sein.
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In 5a ist
als weiteres Ausführungsbeispiel
eine Schmitt-Trigger-Schaltung bzw. eine Komparator-Hystereseschaltung
dargestellt, wie sie in einer Steuereinrichtung für die Wandlereinrichtung
der Potentialwandlervorrichtung eingesetzt werden kann. Eine Steuereinrichtung 10b kann
intern in der Potentialwandlervorrichtung oder auch in der Wandlereinrichtung
integriert sein oder aber ihre Steuersignale von außerhalb
der Potentialwandlervorrichtung zu führen. Die Schmitt-Trigger-Schaltung
in 5a kann so ausgebildet sein, dass sie eine Wandlereinrichtung
der Potentialwandlervorrichtung einschaltet, um die Energieübertragung
von dem ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkondensator
S2 vorzunehmen, falls ein Spannungswert, der durch einen aktuellen
Potentialwert des ersten Potentialverlaufes gegenüber einem
Bezugspotential gegeben ist, betragsmäßig größer ist, als ein erster Schwellspannungswert
U1, der durch den ersten Potentialschwellwert P1 gegenüber dem
Bezugspotential gegeben ist. Die Schmitt-Trigger-Schaltung in 5 kann
außerdem
so ausgebildet sein, die Wandlereinrichtung auszuschalten, um die
Energieübertragung
von dem ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkondensator
S2 zu beenden, falls ein Spannungswert, der durch einen aktuellen
Potentialwert des ersten Potentialverlaufes gegenüber dem
Bezugspotential gegeben ist, betragsmäßig kleiner ist, als ein zweiter
Schwellspannungswert U2, der durch den zweiten Potentialschwellwert 22 gegenüber dem
Bezugspotential gegeben ist. Die Schmitt-Trigger-Schaltung der 5a weist
einen Operationsverstärker 52 auf,
wobei der Ausgang des Operationsverstärkers 52a über einen
Widerstand R2, welcher mit dem nicht-invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers
verbunden ist rück-
bzw. mitgekoppelt ist. Dem nichtinvertierenden Eingang 52b ist
ein weiterer Widerstand 56 vorgeschaltet. Der invertierende
Eingang 52c ist auf das Referenzpotential Uref gelegt.
In Abhängigkeit
der Widerstände R2
und R1 ergeben sich bei Mitkopplung unterschiedliche Schaltschwellen
für ein
steigendes bzw. ein fallendes Eingangssignal. Die Schmitt-Trigger-Schaltung
ist als Schalter zu verstehen, der im Gegensatz zu einem einfachen
Transistor nicht nur eine Schaltschwelle aufweist, sondern zwei
definierte Schaltschwellen, je eine für die fallende und eine für die steigende
Flanke. Für
die jeweiligen Spannungsschwellen sind die Widerstände R2 und
R1 verantwortlich. Dabei gilt für
die Komparatorschaltung mit Hysterese in 5a, dass
das Verhältnis
von Eingangsspannung UE zu Ausgangsspannung
Uenable dem Verhältnis des Widerstands R2 zu dem
Widerstand R1 entspricht. Die Hysterese bzw. der Kopplungsgrad und
der Abstand zwischen dem oberen Schwellspannungswert U1 und dem
unteren Schwellspannungswert U2 kann also von den Widerstandswerten
R1 und R2 bzw. deren Verhältnissen und
den Spannungen UE und Uenable abhängen.
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Die
Komparator-Hystereseschaltung kann also eine Ausgangsspannung Uenable zur Verfügung stellen, mit der eine
Wandlereinrichtung 10 (3) zu Beginn
der Zeitperiode T2 eingeschaltet und bei Beendigung der Zeitperiode
T2 ausgeschaltet wird.
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Die
Schmitt-Trigger-Schaltung bzw. Komparator-Hystereseschaltung kann
ferner ein Kapazitätselement 59 mit
einem Kapazitätswert
C''2 aufweisen, welches
zwischen dem Komparatorausgang 52a und dem entsprechenden
Bezugspotential der Schaltung angeordnet ist. Das Kapazitätselement 59 kann
als Verzögerungsglied,
also zur zeitlichen Verzögerung des
Schaltvorgangs an der Wandlereinrichtung 10 dienen, welche
von der Komparator-Hystereseschaltung gesteuert wird. Bei einem
Unterschreiten der unteren Schwellwertspannung wird also beispielsweise die
Wandlereinrichtung 10, welche durch die Komparator-Hystereseschaltung
ein- und ausgeschaltet wird, nicht unmittelbar abgeschaltet, sondern
bleibt durch die Pufferwirkung des Kondensators C''2 noch einige Zeit aktiv und eingeschaltet.
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Die
Referenzspannung Uref weist vorzugsweise
einen Spannungswert auf, der zwischen einem oberen Schwellspannungswert
U1 der Eingangsspannung UE und einem unteren
Schwellspannungswert U2 der Eingangsspannung UE liegt.
Bei einem oberen Schwellspannungswert U1 von beispielsweise 1.5
V und einem unteren Schwellspannungswert U2 von beispielsweise 0.5
V, kann die Referenzspannung Uref beispielsweise
1.0 V betragen. Für
die Ausgangsspannung Uenable kann sich beispielsweise
bei Unterschreiten des unteren Schwellspannungswertes U2 ein Spannungswert
von 0 V und bei überschrei ten
des oberen Schwellspannungswertes U1 ein spannungswertes von 2 V
ergeben.
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In
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann also die Steuereinrichtung eine
Komparatorschaltung mit Hysterese (Komparator-Hystereschaltung)
aufweisen, die beispielsweise einen Operationsverstärker mit
einem Mitkopplungswiderstand R2 und einen zweiten Widerstand R1
aufweist. Die Komparatorschaltung mit Hysterese kann so ausgebildet
sein, dass sie als Spannungsschwellwertschalter die Wandlereinrichtung 10 (beispielsweise 3)
bei Erreichen der ersten Schwellwertspannung U1 einschaltet und
bei Erreichen der zweiten Schwellwertspannung U2 ausschaltet.
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5b zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Steuereinrichtung 10b zum Schalten einer Wandlereinrichtung.
Die Steuereinrichtung 10b kann eine Wandlereinrichtung,
die über
einen entsprechenden Steuereingang verfügt, beispielsweise so schalten,
dass die Wandlereinrichtung in der in 2 angegebenen
Zeitperiode T1 inaktiv ist und in der Zeitperiode T2 aktiv ist.
Das heißt,
bei Erreichen eines ersten Potentialschwellwertes P1 bzw., bezogen auf
ein Bezugspotential, eines Spannungsschwellwertes U1 wird die Wandlereinrichtung
durch die Steuereinrichtung 10b aus 5b aktiviert.
Beispielsweise kann dann die Wandlereinrichtung, die ein DC/DC Wandler
sein kann, durch ein getaktetes Ein- und Ausschalten eines Schalters
S des Wandlers (siehe 4) in der Zeitperiode T2 eine
Energieübertragung
von dem ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkondensator
S2 vornehmen. Das getaktete Ein- und Ausschalten kann beispielsweise
mit einer Frequenz von 100 kHz erfolgen.
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Bei
Erreichen eines zweiten Potentialschwellwertes P2 bzw. eines zweiten
Spannungsschwellwertes U2 kann dann die Steuereinrichtung in 5b die
Wandlereinrichtung deaktivieren, so dass in dieser Zeitperiode T1
kein aktiver Energieübertrag von
S1 nach S2 und kein getaktetes Ein- und Aus schalten des Schalters
S des DC/DC-Wandlers stattfindet. Während dieser Zeitperiode T1
kann der erste Speicherkondensator S1 mit Energie von einer Energiequelle 5 versorgt
werden und der Potentialverlauf an S1 wieder den Potentialschwellwert
P1 erreichen.
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Im
Folgenden wird die Steuereinrichtungsschaltung und deren Funktion
beschrieben. Die Steuereinrichtung 10b (5b)
ist an eine Eingangsspannung UE gekoppelt,
die der am Speicherkondensator S1 abgreifbaren Spannung UE(t) (siehe 1) entsprechen
kann. Eine Diode, z. B. eine Schottkydiode 53 ist mit einem
Transistor 54 so verbunden, dass der Anodenanschluss 53a der
Schottkydiode 53 mit einem ersten Anschluss 54a eines
Transistors 54 gekoppelt ist. Der Kathodenanschluss 53b der Schottkydiode
ist zum einen mit dem Steueranschluss 54b des Transistors 54 gekoppelt
und zum anderen mit einem RC-Glied 56, welches einen parallel
verschaltetes Widerstandselement 56a mit einem Widerstand
R'1 und ein Kapazitätselement 56b mit
einem Kapazitätswert
C'1 aufweist. Zwischen dem
Anodenanschluss 53a der Schottkydiode 53 und dem
RC-Glied 56 liegt die Eingangsspannung UE an.
Der zweite Anschluss 54c des leitfähigen Pfades des Transistors 54 ist
mit einem weiteren RC-Glied 57 gekoppelt. Das RC-Glied 57 weist
ebenfalls, ein mit einem Kapazitätselement 57b,
welches einen Kapazitätswert
C'2 hat, parallel
verschalteten Widerstandselement 57a auf. Das Widerstandselement 57a hat
einen Widerstandswert von R'2.
Die zwischen den beiden Anschlüssen
des RC-Gliedes 57 anliegende Spannung Uenable kann
dann dazu verwendet werden einen entsprechend angeschlossenen Wandler,
z. B. einen DC/DC-Wandler, wie oben beschrieben in einer Zeitperiode
T2 einzuschalten und während
einer Zeitperiode T2 auszuschalten. Der Wandler kann dazu über einen
entsprechenden Steuereingang verfügen an dem die Spannung Uenable anliegt.
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Die
Eingangsspannung UE schaltet die Schottkydiode 53 bei Überschreiten
der Schwellspannung der Schottkydiode in Vorwärtsrichtung durch, so dass
sich zum einen der Kondensator 56b auflädt und zum anderen der Transistor
T 54 leitfähig wird,
falls die Differenz der Eingangspannung UE und der
um die Schwellspannung reduzierten Eingangspannung UE am
Steueranschluss 54b des Transistors 54 größer ist,
als eine Schwellspannung des Transistors. öffnet dann der Transistor ab
einer Schwellspannung, die beispielsweise der ersten Schwellwertspannung
U1 entsprechen kann, so lädt sich
der Kondensator C2 57b auf und am Ausgang 58 der
Steuereinrichtung 10b liegt eine entsprechende Spannung
Uenable an. Ein Absinken der Spannung UE durch das Übertragen der Energie auf den
zweiten Speicherkondensator nach dem Einschalten der Wandlereinrichtung
durch die Steuereinrichtung 10b führt dann ab Erreichen einer
zweiten Schwellspannung, die der zweiten Schwellwertspannung U2
entsprechen kann, wieder zum Abschalten des Transistors und dadurch
zum Absinken der Spannung Uenable bis zum
Abschalten der angeschlossenen Wandlereinrichtung. Die RC-Glieder 56 und 57 können als Verzögerungsglieder,
also zur zeitlichen Verzögerung
des Schaltvorgangs an dem DC/DC-Wandler dienen. Das heißt, beispielsweise
bei Unterschreiten einer unteren Schwellspannung der Schaltung 10b wird
die Wandlereinrichtung (DC/DC-Wandler) nicht unmittelbar abgeschaltet,
sondern bleibt durch die Pufferwirkung der RC-Glieder 56, 57 noch
einige Zeit aktiv.
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In 6 ist
in einem Flussdiagramm ein Ausführungsbeispiel
zum Verfahren zur Potentialwandlung gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Das Verfahren weist ein Versorgen 60 eines
ersten Speicherkondensators S1, aus einer Energiequelle mit Energie
auf, um einen ersten Potentialverlauf an dem ersten Speicherkondensator
S1 zu erhalten. Ferner weist das Verfahren ein Versorgen 62 eines zweiten
Speicherkondensators S2 mit Energie aus dem ersten Speicherkondensator
S1 auf, um einen zweiten Potentialverlauf an dem zweiten Speicherkondensator
S2 zu erhalten. Außerdem
weist das Verfahren ein Übertragen 64 einer
Energie, mit einer Wandlereinrichtung, die elektrisch zwischen dem
ersten und zweiten Speicherkondensator geschaltet ist, von dem ersten
Speicherkondensator S1 auf den zweiten Speicherkon densator S2 auf,
falls der erste Potentialverlauf einen ersten Potentialschwellwert
P1 erreicht, und bis der erste Potentialverlauf einen zweiten Potentialschwellwert
P2 erreicht, und wobei der erste Potentialschwellwert P1 betragsmäßig größer ist,
als der zweite Potentialschwellwert P2.
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Das Übertragen 64 einer
Energie mit der Wandlereinrichtung kann in einem Ausführungsbeispiel
zu dem Verfahren zur Potentialwandlung ein Ausbilden eines betragsmäßig größeren maximalen Potentials
P2 max am Speicherkondensator
S2 aufweisen, als ein maximales Potential P1 max am Speicherkondensator S1, welches durch
die Versorgung 60 mit Energie aus der Energiequelle aufgebaut
wird. Dadurch kann eine maximal abgreifbare Ausgangsspannung UA max am zweiten zweiten
Speicherkondensator S2 größer sein,
als eine maximale am ersten Speicherkondensator S1 abgreifbare Eingangsspannung
UE max, bezogen auf
ein gemeinsames Bezugspotential.
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Das Übertragen 64 einer
Energie mit der Wandlereinrichtung kann gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
beendet werden, falls der zweite Potentialverlauf am zweiten Speicherkondensator S2
einen dritten Potentialschwellwert P3 erreicht.
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Das Übertragen
einer Energie vom ersten Speicherkondensator S1 auf den zweiten
Speicherkondensator S2 mit einer Wandlereinrichtung kann ein Steuern
der Wandlereinrichtung mit einer Steuereinrichtung aufweisen.
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In
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zur Potentialwandlung so
durchgeführt
werden, dass das Versorgen 60 eines ersten Speicherkondensators
S1 aus einer Energiequelle mit Energie ein Aufladen des ersten Speicherkondensators
S1 in einer ersten Zeitperiode T1 ist, deren Anfangszeitpunkt t11 durch das Erreichen des zweiten Potentialschwellwerts
P2 und dessen Endzeitpunkt t12 durch
das Erreichen des ersten Potentialschwellwertes P1 im
ers ten Potentialverlauf gegeben ist. Das Übertragen 64 einer
Energie mit der Wandlereinrichtung kann ein Übertragen der Energie nur in
einer zweiten Zeitperiode T2 sein, deren Anfangszeitpunkt t21 durch das Erreichen des ersten Potentialschwellwertes
P1 und dessen Endzeitpunkt t22 durch
das Erreichen des zweiten Potentialschwellwertes P2 im
ersten Potentialverlauf gegeben ist. Die zweite Zeitperiode T2 kann
dabei kürzer
sein, als die erste Zeitperiode T1, weshalb die Wandlereinrichtung
nur während
der kürzeren
Zeitperiode T2 aktiv elektrische Leistung aufnimmt und während der
längeren
ersten Zeitperiode T1 nicht.
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In
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung liegt dem Verfahren zugrunde, dass in
einem bestimmten Zeitraum Energie in einem Speicher S1 gesammelt
wird, die dann um ein Vielfaches schneller bzw. mit einer höheren elektrischen
Leistung auf die Ausgangsseite eines Schaltreglers bzw. einer Potentialwandlervorrichtung
auf einen Speicher S2 übertragen
wird. Gleichzeitig kann eine Aufwärtswandlung der Spannung stattfinden.
Durch den Energietransfer kann die Spannung am ersten Speicher S1
sinken.
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Bei
Erreichen einer unteren Potentialschwelle am ersten Speicherkondensator
S1 kann die Wandlereinrichtung ihren Betrieb zum Übertragen
einer Energie einstellen. Während
dieser Zeit kann die Wandlereinrichtung keine Leistung aufnehmen.
Die gesamte Energie der Energiequelle kann zum Versorgen des ersten
Speicherkondensators S1 verwendet werden. Bei Erreichen einer oberen
Schwelle bzw. einen ersten Potentialschwellwertes P1 kann erneut
die Energieübertragung 64 vom
ersten in den zweiten Speicherkondensator beginnen. Nach der Übertragung
der Energie kann eine Pause entstehen, in der die Wandlereinrichtung
bzw. der Schaltregler inaktiv ist und keine Leistung aufnimmt. Dadurch
kann sich sein Verbrauchsanteil an der Gesamtenergie die für die Potentialwandlung
nötig ist, verringern.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten
das Verfahren zu Potentialwandlung auch als Software implementiert
sein kann. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium,
insbesondere einer Diskette, einer CD oder DVD mit elektronisch
auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die mit einem programmierbaren
Computersystem zusammenwirken können,
dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht
die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf
einem Maschinenauslesbaren Träger
gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wenn
das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In
anderen Worten ausgedrückt,
kann die Erfindung somit als Computerprogramm mit einem Programmcode zur
Durchführung
des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogrammprodukt
auf einem Computer abläuft.
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In
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist das Leistungs- bzw. Powermanagement für Energiequellen
mit geringer kontinuierlicher Leistungsabgabe dargestellt. Bei sehr
geringer Energieausbeute einer Energiequelle kann es passieren, dass
bei dem Einsatz eines Schaltreglers dieser im Betrieb annähernd die
gleiche Leistung aufnimmt wie die Energiequelle abgibt. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann es ermöglichen
trotz dieser Umstände
einen elektrischen Verbraucher über
einen Spannungsregler zu versorgen. In Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung wird die Energie, beispielsweise die Ladung einer Energiequelle
zunächst in
einem ersten Speicher S1, beispielsweise einem Speicherkondensator
S1 zwischengespeichert. Zu diesem Zweck kann der Speicherkondensator
aufgeladen werden. Ein Schaltregler bzw. eine Wandlereinrichtung
kann so konzipiert sein, dass dieser ab einer definierten oberen
Spannungsschwelle am Eingang beginnt die Energie aus dem ersten
Speicher am Eingang S1 in einen zweiten Speicher S2 am Ausgang zu
transferieren. Gemäß dem Prinzip
eines Step-Up-Konverters
kann der zweite Speicher S2 auf eine höhere Spannung aufgeladen werden,
die beispielsweise am Konverter mittels einer Rückkoppelschleife oder -einrichtung
eingestellt werden kann. Durch den Energietransfer kann die Spannung
am ersten Speicher S1 sinken. Bei Erreichen einer unteren Schwelle
am Eingang kann der Schaltregler seinen Betrieb einstellen. In dieser
Zeit kann der Regler keine Leistung aufnehmen. Die gesamte Energie
der Quelle kann in den ersten Speicher fließen. Bei Erreichen der oberen
Schweller beginnt erneut die Energieübertragung vom ersten in den
zweiten Speicher. Durch die Implementierung einer oberen und einer unteren
Schwellspannung ergibt sich beim Schaltregler ein Hystereseverhalten.
Ausführungsbeispiele zum
Verfahren zur Potentialwandlung liegt die Idee zugrunde, dass in
einem bestimmten Zeitraum T1 Energie in einem Speicher S1 gesammelt
wird, die dann um ein Vielfaches schneller in einer kürzeren zweiten
Zeitperiode bzw. mit einer höheren
Leistung auf eine Ausgangsseite des Schaltreglers in einem Speicher
S2 übertragen
wird. Gleichzeitig kann die Aufwärtswandlung
der Spannung stattfinden. Nach der Übertragung kann eine Pause
entstehen, in der der Schalterregler inaktiv ist und keine oder
nur geringe Leistung aufnimmt. Dadurch verringert sich sein Verbrauchsanteil
an der Gesamtenergie. In dieser inaktiven Zeit kann der Speicher
S1 wieder Energie von der Quelle sammeln.
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In
Ausführungsbeispielen
kann durch das Hystereseverhalten der Ablauf zur Potentialwandlung
in zwei Phasen aufgeteilt werden. Das Sammeln der Energie aus der
Quelle in den ersten Speicher S1, wobei der Schaltregler in dieser
Zeit inaktiv ist und diese Zeitperiode T1 einen längeren Zeitraum umfasst,
als eine zweite Zeitperiode T2, in der das Übertragen der Energie in den
zweiten Speicher S2 durchgeführt
wird. In dieser zweiten Zeitperiode T2 ist der Schaltregler bzw.
die Wandlereinrichtung aktiv und erzeugt auf der Ausgangsseite,
also am Speicherkondensator S2 eine höhere abgreifbare Spannung,
als auf der Eingangsseite, also am Speicherkondensator S1. Der Schaltregler
bzw. die Wandlereinrichtung kann also beispielsweise ein Aufwärtswandler
sein. Die Übertragung
der Energie findet dabei in einer zeitlich kurzen Phase statt, verglichen
mit der zeitlich langen Phase, in der die Energie von der Energiequelle
in den ersten Speicher S1 übertragen bzw.
dort gesammelt wird. Das hier vorgestellte Verfahren kann weniger
Energie benötigen,
also einen höheren
Wirkungsgrad aufweisen, als übliche
Verfahren zur Potentialwandlung. Die Leistungsaufnahme des betroffenen
Schaltreglers – der
Potentialwandlervorrichtung – kann
unverändert
bleiben, jedoch kann dessen Energieverbrauch deutlich sinken, da
er nur kurze Zeit, während
des Energietransfers, also der zweiten Zeitperiode T2, aktiv ist.
Eine kontinuierliche Versorgung eines Verbrauchers ist möglich, wenn
der zweite Speicher S2 geeignet dimensioniert ist und so in der
Zeit ausreichend Energie liefert, in der keine Energieübertragung
stattfindet.
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Bei
dem in Ausführungsbeispielen
vorgestellten Verfahren zur Potentialwandlung kann der Schaltregler
bzw. die Wandlereinrichtung durch die höhere Leistung während der
kurzzeitigen Übertragung
einen deutlich höheren
Wirkungsgrad erzielen, als wenn die um ein Vielfaches niedrigere
Leistung der Quelle kontinuierlich übertragen wird. Ein Verbraucher
wird in erster Linie von einem zweiter Speicher S2 versorgt. Dabei
kann natürlich
nur so viel Energie entnommen werden, wie im zweiten Speicher S2
vorhanden ist.