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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Gleichrichterschaltung zur Verwendung in
einer Energy-Harvesting-(Energiesammlung)Anwendung und ein Verfahren
zum Gleichrichten einer Ausgangswechselspannung. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine Gleichrichterschaltung mit einer aktiven Gleichrichterbrücke.
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HINTERGRUND
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Bei
Energy-Harvesting-Systemen mit niedriger Leistung werden induktive
oder piezoelektrische Generatoren verwendet, um aus mechanischer
Energie, wie etwa aus Vibrationen, einer Druckknopfbetätigung usw.,
elektrische Energie zu erzeugen und drahtlose Niedrigleistungsschaltungen
(LPW-Systeme) mit Strom zu versorgen.
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Die
elektrischen Generatoren, die zur Erzeugung von elektrischer Energie
aus mechanischer Energie verwendet werden, sind Wechselspannungsgeneratoren.
Sie verhalten sich wie ein Wechselspannungsgenerator mit interner
Impedanz. Die ausgegebene Wechselspannung hängt von der Art der angewendeten
mechanisch-elektrischen Umwandlung ab und kann hinsichtlich der
Frequenz, der Dauer des Signals und der Amplitude stark variieren.
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Drahtlose
Niedrigleistungssysteme benötigen
andererseits eine Versorgungsgleichspannung, die üblicherweise
3,6 Volt nicht überschreitet.
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Die
ausgegebene Wechselspannung des Wechselspannungsgenerators muss
gleichgerichtet werden, um von der drahtlosen Niedrigleistungsschaltung
genutzt werden zu können
und in einem Kondensator gespeichert zu werden. Bei herkömmlichen
Systemen wird ein Spitzenspannung-Vollwegbrückengleichrichter mit Dioden,
wie in 1 gezeigt, verwendet. Eine Spitzenspannung-Vollwegbrücke ist
im Stand der Technik bekannt und hat immer zwei Dioden, die mit
dem Ausgang in Reihe geschaltet sind. Es gibt somit immer einen
Spannungsabfall, der der zweifachen Vorwärtsspannung Vvorwärts der
Dioden entspricht, was die Effizienz der Energieumwandlung senkt.
Darüber
hinaus können
mit dem Gleichrichten von Spitzenspannungen lediglich 50% der erzeugten
Energie in einer Halbwelle umgewandelt und in einem Speicherkondensator
gespeichert werden, da während
der abfallenden Flanke des Wechselspannungssignals die ausgegebene
Spannung des Gleichrichters niedriger ist als die im Speicherkondensator
bereits gespeicherte Spannung. Zur Versorgung des LPW-Systems ist
ein großer Speicherkondensator
erforderlich. Dieser Kondensator ist über die Gleichrichterbrücke mit
dem Ausgang des Wechselspannungsgenerators verbunden, was zu einer
Impedanzfehlanpassung zwischen dem Wechselspannungsgenerator, dem
Brückengleichrichter
und dem Kondensator führt,
wodurch auch die Generatoreffizienz verringert wird.
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Es
gibt somit einen Bedarf an einer Gleichrichterschaltung, die die
Effizienz der Energieumwandlung zwischen der Wechselspannungsgeneratorausgabe
und der gespeicherten Energie in einem Speicherkondensator erhöht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gleichrichterschaltung
bereitzustellen, die mit einem geringen Energieumwandlungsverlust
in Energy-Harvesting-Systemen
mit niedriger Leistung verwendet werden kann.
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Die
Erfindung sieht eine Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1 vor,
die eine aktive Gleichrichterbrücke
mit zwei Eingangsanschlüssen,
die mit einem Ausgang des Wechselspannungsgenerators verbindbar
sind, und mit zwei Ausgangsanschlüssen aufweist. Eine Induktivität ist an
die Ausgangsanschlüsse
der aktiven Gleichrichterbrücke
angeschlossen. Die Gleichrichterschaltung weist ferner einen Speicherkondensator
und zwei Ausgangsschalter auf, die den Speicherkondensator selektiv
an die Induktivität
anschließen
können.
Eine Steuereinheit kann die aktive Gleichrichterbrücke und
die beiden Ausgangsschalter so steuern, dass in aufeinanderfolgenden
Schaltzyklen innerhalb einer Halbwelle der Eingangswechselspannung
von dem Ausgang des Wechselspannungsgenerators die Induktivität zunächst mit
Strom vom Ausgang des Wechselspannungsgenerators geladen und dann
in den Speicherkondensator entladen wird.
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Die
erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung
benötigt
keinen Brückengleichrichter
mit Dioden, sondern verwendet stattdessen einen aktiven Gleichrichter,
der den Spannungsabfall beim Gleichrichten verringert. Es gibt insbesondere
keinen Spannungsabfall an Dioden wie bei dem Spitzenspannung-Brückengleichrichter
aus dem Stand der Technik. Der erfindungsgemäße Gleichrichter führt vielmehr
eine kumulierte Gleichrichtung aus, mit einer Zwischenspeicherung
von Energie in einer Induktivität.
Die Induktivität
wird zunächst
mit Strom von der Eingangswechselspannung geladen, wenn die Induktivität direkt
an den Ausgang des Wechselspannungsgenerators gekoppelt ist und
ein Strom durch die Induktivität
fließt.
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Die
Induktivität
wird dann von dem Generatorausgang getrennt und über die beiden Ausgangsschalter
direkt mit dem Speicherkondensator verbunden. Aufgrund des üblichen
Verhaltens einer Induktivität
fließt
der Strom weiterhin durch die Induktivität, entlädt die Induktivität und lädt den Speicherkondensator.
In einer beliebigen Halbwelle der Eingangswechselspannung wird die
Induktivität
in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen geladen und entladen. Die Anzahl
der aufeinanderfolgenden Schaltzyklen in einer Halbwelle hängt von
der Art des verwendeten Wechselspannungsgenerators ab. Es kann in
einer Halbwelle 10 Schaltzyklen geben, aber auch viele mehr, wenn
die Frequenz der Eingangswechselspannung beispielsweise einen niedrigen
Wert von 100 Hz hat. Das Speichern von Energie im Speicherkondensator
ist aufgrund der Zwischenspeicherung in der Induktivität nicht
auf die Spitzenspannung der Eingangswechselspannung beschränkt. Der
Induktivitätswert
der Induktivität
und die Kapazität
des Speicherkondensators sind dementsprechend gewählt, so
dass ein Stromfluss von der Induktivität in den Speicherkondensator
möglich
ist, um den Speicherkondensator auf eine Spannung zu laden, die
höher ist
als die Spitzenspannung der Eingangswechselspannung. Dadurch wird
die Effizienz des Gleichrichters im Vergleich zum Brückenwandler
aus dem Stand der Technik erheblich erhöht.
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Bei
einem Aspekt der Erfindung ist ein Entkopplungskondensator, der
einen Spitzenstrom in die aktive Gleichrichterbrücke mitteln kann, an den Eingang
der Gleichrichterschaltung angeschlossen. Die Kapazität des Entkopplungskondensators
ist im Wesentlichen geringer als die Kapazität des Speicherkondensators.
Während
die Induktivität
von dem Wechselspannungsgenerator getrennt und mit dem Speicherkondensator
verbunden ist, wirkt der Kopplungs kondensator als Energiezwischenspeicher
für die
von dem Wechselspannungsgenerator ausgegebene Energie. Die optimale
Kapazität
des Kopplungskondensators hängt
von der Beziehung zwischen der Frequenz des Wechselspannungsausgangssignals
des Generators, der Zyklusdauer T und dem Zeitintervall t1 ab, in dem die Induktivität geladen wird,
und kann beispielsweise ein Zehntel oder ein Hundertstel der Speicherkapazität betragen.
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Bei
einem Aspekt der Erfindung ist das Verhältnis zwischen dem Zeitintervall
t1, in dem die Induktivität geladen
wird, und der Dauer T eines Schaltzyklus so eingestellt, dass sie
auf die interne Impedanz des Wechselspannungsgenerators abgestimmt ist.
Die Impedanz der Gleichrichterschaltung wird genau genommen durch
den Quotienten aus der Generatorausgangsspannung und dem Durchschnittsstrom
in den Entkopplungskondensator bestimmt, welcher an den Wechselspannungsgeneratorausgang
angeschlossen ist. Der Durchschnittsstrom wird durch den Quotienten
aus dem Spitzenstrom in die Induktivität multipliziert mit dem Zeitintervall
t1 und der Zyklusdauer T angegeben. Somit
wird durch Änderung
dieser Parameter die Anpassung der Impedanz an den Generator definiert.
Der Generator „sieht” nicht
mehr die große
Kapazität
des Speicherkondensators.
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Bei
einem Aspekt der Erfindung weist die Gleichrichterschaltung ferner
einen Polaritätsdetektor
zum Detektieren der Polarität
des Wechselspannungsausgangssignals des Wechselspannungsgenerators
und zum Ausgeben eines Polaritätssignals auf.
Das Polaritätssignal
kann von einer Anwendungseinheit verwendet werden, beispielsweise
von einem drahtlosen Niedrigleistungssystem, das von der Gleichrichterschaltung
gespeist wird. Bei einer Ausführungsform
kann der Wechselspannungsgenerator beispielsweise als Druckknopf
ausgeführt
sein, der nach unten gedrückt
wird, um eine Lampe einzuschalten. Jede Aktivierung des Druckknopfs
erzeugt eine definierte Anzahl von Wechselspannungswellen. Das Polaritätssignal,
das von der Gleichrichterschaltung an das drahtlose Niedrigleistungssystem ausgegeben
wird, ermöglicht
es dem System, beispielsweise die Anzahl der erzeugten Wechselspannungswellen
zu zählen
und daraus zu schließen,
wie oft der Druckknopf nach unten gedrückt wurde. Das LPW-System kann dann
in Übereinstimmung
mit der Anzahl der Betätigungen
des Druckknopfs ein Funktelegramm an die Lampe senden. Durch zweimaliges Drücken des
Druckknopfs können
zwei Lampen oder eine Lampe mit einer höheren Intensität usw. eingeschaltet
werden.
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Bei
einem Aspekt der Erfindung weist der Gleichrichter einen Gleichspannungswandler
auf, der mit dem Speicherkondensatorausgang verbunden ist, um eine
im Speicherkondensator gespeicherte Spannung zu einem Spannungswert
umzuwandeln, der von dem von der Gleichrichterschaltung gespeisten
Anwendungssystem benötigt
wird.
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Bei
einem Aspekt der Erfindung kann die Steuereinheit ferner die Schalter
steuern, um einen Überspannungsschutz
durchzuführen,
indem der Wechselspannungsgenerator kurzgeschlossen wird, wenn die
Ausgangsspannung des Wechselspannungsgenerators oder die im Speicherkondensator gespeicherte
Spannung eine maximale Spannung überschreitet.
Die Schalter der aktiven Gleichrichterbrücke können für den Überspannungsschutz verwendet
werden. Es ist keine zusätzliche
Verschaltung erforderlich.
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Die
Erfindung sieht ferner ein Energy-Harvesting-System vor, das einen
Wechselspannungsgenerator zur Erzeugung von elektrischer Energie aus
mechanischer Energie, eine erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung,
die an den Ausgang des Wechselspannungsgenerators angeschlossen
ist, und ein drahtloses Niedrigleistungssystem aufweist.
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Die
Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Gleichrichten einer Ausgangswechselspannung eines
Wechselspannungsgenerators zur Verwendung in einer Energey-Harvesting-Anwendung,
bei dem mechanische Energie mit den Schritten aus Anspruch 8 in
elektrische Energie umgewandelt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung
ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung einer
beispielhaften Ausführungsform
anhand der beigefügten
Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines Energy-Harvesting-Systems
nach dem Stand der Technik;
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2 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energy-Harvesting-Systems;
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3 ein
Diagramm des Zeitverhaltens von Spannungen und Strömen in einer
erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER
BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
in einer vereinfachten schematischen Darstellung ein Energy-Harvesting-System aus
dem Stand der Technik. Ein Wechselspannungsgenerator 10 weist
eine Generatorimpedanz 12 auf und gibt eine Wechselspannung
mit einer Wellenform aus, wie auf vereinfachte Weise bei Bezugszeichen 14 angegeben
ist. Ein Ausgang 16 des Wechselspannungsgenerators 10 ist
mit einem Eingang eines Vollwegbrückengleichrichters 18 verbunden,
der durch vier Dioden gebildet ist. Ein Speicherkondensator 20 ist
mit seinen beiden Anschlüssen
an den Ausgang der Gleichrichterdiodenbrücke angeschlossen. Ein Anschluss
des Speicherkondensators 20 ist ferner mit Masse verbunden.
Der andere Anschluss des Speicherkondensators 20 ist mit
einem Abwärtswandler 22 verbunden.
Der Abwärtswandler
weist zwei Schalter S1 und S2 auf, die durch MOSFET-Transistoren
gebildet sind. Der Anschluss des Speicherkondensators 20,
der an den Abwärtswandler 22 gekoppelt
ist, ist mit einem Drain-Anschluss des Transistors S1 verbunden,
und der Source-Anschluss des Transistors S1 ist mit einem Drain-Anschluss
des Transistors S2 verbunden. Ein Source-Anschluss des Transistors
S2 ist mit Masse verbunden. Die Transistoren S1 und S2 bilden zusammen
mit einem Induktivität
L und einem Kondensator Cout in einer bekannten
Weise einen synchronen Wandler, der die Steuerung der Ausgangsspannung durch
Steuerung der eingeschalteten und ausgeschalteten Zeiten der Transistoren
S1 und S2 ermöglicht.
Bei dem für
den Stand der Technik angegebenen Beispiel liegt die Ausgangsspannung
bei etwa 2 Volt mit einem Strom von etwa 1 μA bis zu etwa 30 mA. Dieser
nachgeschaltete Abwärtswandler
kann integriert sein oder aus externen Komponenten bestehen. Er
wandelt die höhere
Spannung des Speicherelements in einen Spannungspegel um, der für das LPW-System optimiert
ist und das LPW-System vor einer Überspannung schützt.
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2 zeigt
eine vereinfachte schematische Darstellung eines Energy-Harvesting-Systems,
das eine erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung
aufweist. Komponenten, die mit Komponenten aus 1 identisch
sein können,
sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Wie beim Stand der Technik wandelt
ein Wechselspannungsgenerator 10 mechanische Energie in
elektrische Energie um und gibt eine Ausgangswechselspannung aus,
wie mit Bezugszeichen 14 schematisch und beispielhaft gezeigt
ist. Der Wechselspannungsgenerator verhält sich wie ein Wechselspannungsgenerator
mit einer internen Impedanz 12. Der Ausgang 16 des
Wechselspannungsgenerators ist an zwei Eingangsanschlüsse 17 einer
Gleichrichterschaltung 28 gekoppelt. Die Gleichrichterschaltung 28 weist
eine aktive Gleichrichterbrücke
T1, T2, T3, T4, zwei Ausgangsschalter T5 und T6, eine Steuereinheit 44,
einen Polaritätsdetektor 46 und
eine Überspannungsschutzschaltung 48 auf.
Das Energy-Harvesting-System weist ferner eine Induktivität 30,
einen Entkopplungskondensator 32, einen Speicherkondensator 34,
einen Abwärtswandler
mit zwei MOS-Transistoren, nämlich
PMOS-Transistor T7 und NMOS-Transistor T8, eine Induktivität 36 und
einen Kondensator 38 auf. Die von dem Wechselspannungsgenerator 10 erzeugte
Energie, die von der Gleichrichterschaltung 28 gleichgerichtet
und von dem Abwärtswandler
abwärts
umgewandelt wird, wir in ein drahtloses Niedrigleistungssystem LPW
eingespeist.
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Der
Ausgang 16 des Wechselspannungsgenerators 10 weist
im Einzelnen zwei Anschlüsse
G1 und G2 auf, die mit den beiden Eingangsanschlüssen 17 der aktiven
Gleichrichterbrücke
der Gleichrichterschaltung 28 verbunden sind. Der Entkopplungskondensator 32,
der im Vergleich zum Speicherkondensator 34 ein Kondensator
mit geringer Kapazität
ist, ist an die Anschlüsse
G1 und G2 des Generatorausgangs angeschlossen. Ein möglicher
Wert für
den Entkopplungskondensator 32 würde bei 0,5 bis 5 μF liegen,
und ein möglicher
Wert für
den Speicherkondensator 34 würde bei etwa 50 μF liegen.
Zwei Ausgangsanschlüsse 40 der
aktiven Gleichrichterbrücke sind
mit der Induktivität 30 verbunden.
Zwei Ausgangsanschlüsse 42 der
Gleichrichterschaltung 28 sind mit dem Speicherkondensator 34 verbunden, und
einer der Anschlüsse
des Speicherkondensators 34 ist auch mit Masse verbunden.
Der andere Anschluss des Speicherkondensators 34 ist mit
einem Eingang des Abwärtswandlers
und insbesondere mit einem Drain-Anschluss des PMOS-Transistors
T7 verbunden. Der Source-Anschluss
des PMOS-Transistors T7 ist mit einem Drain-Anschluss des NMOS-Transistors T8 verbunden.
Ein Source-Anschluss des NMOS-Transistors T8 ist mit Masse verbunden.
Ein Verbindungsknoten zwischen dem Source-Anschluss des PMOS-Transistors
T7 und dem Drain-Anschluss des NMOS-Transistors T8 ist mit einem
ersten Anschluss der Induktivität 36 verbunden. Die
Induktivität 36 ist
mit dem anderen Anschluss an den Eingang des drahtlosen Niedrigleistungssystems LPW
und an einen Anschluss eines Kondensators COUT 38 angeschlossen.
Der Kondensator COUT 38 ist mit
seinem anderen Anschluss mit Masse verbunden.
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Die
Gleichrichterschaltung 28 wird nun ausführlicher beschrieben. Die Gleichrichterschaltung 28 weist
sechs Schalter auf, die durch MOSFET-Transistoren T1, T2, T3, T4,
T5 und T6 gebildet sind. Wie bekannt ist, weist ein MOS-Transistor einen
Kanal auf, der sich vom Drain-Anschluss des Transistors zum Source-Anschluss
des Transistors erstreckt, und ein Gate, der den Stromfluss im Kanal
steuert. Da die Gleichrichterschaltung durch NMOS- oder PMOS-Transistoren gebildet
sein kann, wird in der Beschreibung nicht zwischen Drain und Source
unterschieden, sondern die Begriffe „Kanal” und die „beiden Anschlüsse des
Transistorkanals” verwendet.
Die Transistoren T1, T2, T3 und T4 bilden auf bekannte Weise eine
aktive Gleichrichterbrücke,
während
die Transistoren T5 und T6 zwei Ausgangsschalter bilden.
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Die
Gleichrichterschaltung 28 weist ferner die Steuereinheit 44,
den Polaritätsdetektor 46 und den Überspannungsschutz 48 auf.
Alle Transistoren T1 bis T6 sind mit ihren entsprechenden Gates
an die Steuereinheit 44 angeschlossen, so dass die Steuereinheit 44 die
zeitliche Abstimmung des Öffnens
und Schließens
aller Transistoren T1 bis T6 in der Gleichrichterschaltung 28 steuern
kann.
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Die
Kanäle
der Transistoren T1 und T3 sind in Reihe geschaltet, und die Reihenschaltung
ist mit dem Entkopplungskondensator 32 parallel geschaltet.
Ein Verbindungsknoten 50 zwischen den Transistoren T1 und
T3 ist mit einem ersten Anschluss der beiden Ausgangsanschlüsse 40 verbunden.
Der Knoten 50 ist ferner mit dem Kanal des Transistors T6,
einem der Ausgangsschalter, verbunden, dessen anderer Kanalanschluss
mit einem ersten Anschluss des Speicherkondensators 34 und
mit Masse verbunden ist.
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Die
Kanäle
der Transistoren T2 und T4 sind in Reihe geschaltet, und die Reihenschaltung
ist mit dem Entkopplungskondensator 32 und mit der Reihenschaltung
der Transistoren T1 und T3 parallel geschaltet. Ein Verbindungsknoten 52 zwischen
den Transistoren T2 und T4 ist mit dem zweiten Anschluss der beiden
Ausgangsanschlüsse 40 und
mit einem ersten Anschluss des Kanals des Transistors T5, einem
der Ausgangsschalter, verbunden. Der andere Anschluss des Kanals
des Transistors T5 ist mit einem zweiten Anschluss des Speicherkondensators 34 und
mit dem Eingang des Abwärtswandlers
verbunden.
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Die
Steuereinheit 44 ist ferner durch Verbindungsleitungen 53 mit
den beiden Eingangsanschlüssen 17 verbunden.
Die Steuereinheit 44 ist ferner durch eine Leitung 55 mit
dem zweiten Anschluss des Speicherkondensators 34 und mit
dem Eingang des Abwärtswandlers
verbunden. Der Polaritätsdetektor 46 gibt
auf einer Leitung 54 ein Signal an das LPW-System aus.
Die drei Blöcke,
die mit „Steuereinheit”, Polaritätsdetektor” und Überspannungsschutz „OVP” bezeichnet
sind, sind als Funktionsblöcke
und nicht als getrennte Schaltungen zu verstehen. Genau genommen
führt die
Steuereinheit auch die Polaritätsdetektion
und den Überspannungsschutz
durch.
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Der
Betrieb des Energy-Harvesting-Systems wird nun anhand der 2 und 3 erläutert. Die Steuereinheit 44 kann über die
Leitungen 53 detektieren, ob der Wechselspannungsgenerator 10 ein Spannungssignal
ausgibt. Wenn die Spannung höher
ist als ein vorgegebener Schwellenwert, wird der Betrieb der Gleichrichterschaltung
gestartet. Der Wechselspannungsgenerator 10 gibt zwischen
den Anschlüssen
G1 und G2 eine Ausgangswechselspannung aus. Bei einer positiven
Halbwelle der Ausgangswechselspannung ist der Anschluss G1 positiv, während G2
negativ ist. Bei einem ersten Teilzyklus werden während eines
Zeitintervalls t1 durch entsprechende Steuersignale
die Transistoren T1 und T4 geschlossen und die Transistoren T2,
T3, T5 und T6 geöffnet.
Folglich ist die Induktivität 30 an
die Eingangsanschlüsse
G1 und G2 des Wechselspannungsgenerators 10 angeschlossen
und mit dem Entkopplungskondensator 32 parallel geschaltet.
Somit gibt es einen Strom, der durch die Induktivität 30 fließt.
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3 zeigt
das zeitliche Verhalten des Ausgangssignals des Wechselspannungsgenerators durch
eine Linie 56 an. Es ist lediglich eine positive Halbwelle
gezeigt.
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Ein
Diagramm 58 zeigt die zeitliche Abstimmung des durch die
Induktivität 30 fließenden Stroms.
Zu einem mit Bezugszeichen 60 bezeichneten Zeitpunkt t0 werden die Transistoren T1 und T4 geschlossen
und die Transistoren T2, T3, T5 und T6 geöffnet, und der erste Teilzyklus
beginnt für
ein Zeitintervall t1, in dem die Induktivität 30 geladen
wird. Im ersten Teilzyklus, d. h. in dem Zeitintervall t1, strömt ein
Strom IL 62 durch die Induktivität 30.
Nach dem Zeitintervall t1 werden die Transistoren
T1 und T4 geöffnet
und die Ausgangsschalter T5 und T6 geschlossen, und der zweite Teilzyklus
beginnt, in dem die Induktivität
in den Speicherkondensator 34 entladen wird. Folglich ist
die Induktivität 30 mit
dem Speicherkondensator 34 parallel geschaltet und von
dem Wechselspannungsgenerator 10 getrennt. Die in der Induktivität gespeicherte
Energie führt
im Zeitintervall t2 zu einem Strom 64 in
die gleiche Richtung wie der Strom IL 60 im
Zeitintervall t1. Da während des zweiten Teilzyklus
keine Spannung in die Induktivität 30 eingespeist
wird, nimmt der Strom 64 über die Zeit ab. Der Strom 64 leitet
die in der Induktivität 30 gespeicherte
Energie in den Speicherkondensator 34. Während der
Zeit, in der die Induktivität 30 in
den Speicherkondensator 34 entladen wird, ist der Entkopplungskondensator 32 weiterhin
mit dem Wechselspannungsgenerator verbunden ist und wird mit der
Eingangswechselspannung geladen.
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Die
Steuereinheit 44 detektiert über die Leitung 55,
wenn der Strom 64 den Wert 0 annimmt. Die Ausgangsschalter
T5 und T6 werden dann erneut geöffnet.
Nach einer Zyklusdauer T beginnt der erste Teilzyklus erneut, indem
die Transistoren T1 und T4 geschlossen werden. Ein Strom IL 62 lädt wieder die Induktivität 30.
Der Spitzenstrom 66 am Ende des Zeitintervalls t1 hängt
von der Ausgangsspannung des Wechselspannungsgenerators zu dem Zeitpunkt,
an dem die Transistoren T1 und T4 geschlossen werden, von der internen
Impedanz 12 des Wechselspannungsgenerators und von der
Dauer des Zeitintervalls t1 ab. Bei dem
im Diagramm 58 dargestellten Fall gibt es fünf Zyklen
mit einer Zykluslänge
T für jeweils
eine positive Halbwelle, es kann jedoch in einer Halbwelle mehr
oder weniger Zyklen geben. Der höchste
Spitzenstrom wird während
des dritten Zyklus erhalten, der auftritt, wenn die positive Halbwelle
des Ausgangsspannungssignals an ihrem höchsten Punkt ist. Der Entkopplungskondensator 32 mittelt
den Spitzenstrom. Der Durchschnittsstrom wird durch Multiplizieren
des Spitzenstroms mit dem Zeitintervall t1 geteilt
durch das Zykluszeitintervall T berechnet.
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Die
Impedanz, die der Wechselspannungsgenerators sieht, d. h. die Eingangsimpedanz
der Gleichrichterschaltung, wird mit dem Quotienten aus der Generatorausgangspannung
und dem Durchschnittsstrom in den Entkopplungskondensator berechnet.
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Durch
Einstellen des Spitzenstroms ISpitze, des
Zeitintervalls t1 und der Zyklusdauer T
kann die Impedanz der Gleichrichterschaltung auf die Generatorimpedanz
abgestimmt werden, wodurch die Effizienz der Energieumwandlung verbessert
wird.
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Wenn
der Polaritätsdetektor
eine Änderung der
Polarität
des Wechselspannungsausgangssignals detektiert, d. h. wenn G1 negativ
und G2 positiv wird, werden die Transistoren T2 und T3 im ersten Teilzyklus
geschlossen, während
die Transistoren T1, T4, T5 und T6 offen bleiben. Somit ist wie
bei der positiven Halbwelle die Induktivität 30 mit dem Entkopplungskondensator 32 parallel
geschaltet, doch im Vergleich zur positiven Halbwelle in entgegengesetzter
Richtung. Dies ist das übliche
Verhalten einer aktiven Gleichrichterbrücke. Somit ist der Verbindungsknoten 50 wieder
mit dem positiven Anschluss des Wechselspannungsgeneratorausgangs
verbunden, und der andere Verbindungsknoten 52 ist wieder mit
dem negativen Anschluss des Wechselspannungsgenerators 10 verbunden.
Nach dem Zeitintervall t1 endet der erste
Teilzyklus, in dem die Induktivität 30 geladen wird,
und die Transistoren T3 und T2 werden von der Steuereinheit 44 geöffnet. Die
Ausgangsschalter T5 und T6 werden nun geschlossen, um die Induktivität 30 mit
dem Speicherkondensator 34 zu verbinden. Wie oben erläutert, wird
die Induktivität 30 in
den Speicherkondensator 34 entladen, bis die Steuereinheit über die
Leitung 55 feststellt, dass der Strom in der Induktivität 30 den
Wert 0 annimmt. Die Ausgangsschalter T5 und T6 werden dann geöffnet, und
nach Ablauf der Zyklusdauer T beginnt der nächste Schaltzyklus.
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Wenn
eine Überspannung
detektiert wird, d. h. wenn die Spannung des Wechselspannungsgenerators
oder die Spannung des Speicherkondensators 34 eine maximale
Spannung überschreitet,
die von der LPW-Schaltung bearbeitet werden kann, wird der Generator
kurzgeschlossen, indem die Transistoren T1 und T3 geschlossen werden.
Vorteilhafterweise kann der Polaritätsdetektor über eine Verbindungsleitung 55 ein
Polaritätssignal
an die drahtlose Niedrigleistungsschaltung LPW liefern. Je nach
System kann das Polaritätssignal
Informationen beinhalten, die der LPW benötigt, wie etwa wie oft ein
Druckknopf, der als Wechselspannungsgenerator wirkt, gedrückt wurde,
oder wenn der Wechselspannungsgenerator mechanische Vibrationsenergie
umwandelt, kann die Frequenz der Vibration oder das Fehlen von Vibrationen
detektiert werden.
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3 zeigt
ferner in einem Diagramm 68 den von dem Wechselspannungsgenerator
ausgegebenen Strom, der dem Strom entspricht, der in den Entkopplungskondensator 32 eingespeist
wird. Der Strom folgt der Form der Halbwelle des Ausgangswechselspannungssignals.
Ein Diagramm 70 zeigt das zeitliche Verhalten der im Speicherkondensator 34 gespeicherten
Energie. Eine Leitung 72 gibt die Spannung an, die unter
Verwendung eines Vollbrückengleichrichters
durch die Spitzengleichrichtung aus dem Stand der Technik erhalten
werden kann, während
die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung
eine kumulierte Gleichrichtung und somit eine höhere im Speicherkondensator
gespeicherte Spannung ermöglicht,
da die gesamte Energie jeder Halbwelle in den Speicherkondensator 34 geleitet
werden kann.
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Durch
Verwendung der aktiven Vollbrückengleichrichterschaltung 28 wird
die Effizienz erheblich erhöht,
und dadurch kann ein kleinerer Wechselspannungsgenerator 10 für die gleiche
Ausgangsleistung, die zur LPW-Schaltung geliefert wird, verwendet
werden. Die Erfindung ermöglicht
somit einen kostengünstigeren
Wechselspannungsgenerator mit kleineren Abmessungen. Der nachgeschaltete Abwärtswandler
kann vorteilhaft zusammen mit der Gleichrichterschaltung 28 in
der gleichen Vorrichtung integriert sein. Bei der gezeigten Ausführungsform beträgt die zum
drahtlosen Niedrigleistungssystem gelieferte Spannung zwischen 1,8
und 2 Volt bei einem Strom zwischen etwa 1 μA bis zu etwa 30 mA.
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Die
Erfindung wurde im Vorangehenden zwar anhand einer besonderen Ausführungsform
beschrieben, sie ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und
der Fachmann wird zweifellos weitere Alternativen finden, die im
Umfang der Erfindung, wie sie beansprucht ist, liegen.
