DE102008064402B4

DE102008064402B4 - Gleichrichterschaltung

Info

Publication number: DE102008064402B4
Application number: DE102008064402A
Authority: DE
Inventors: Markus Matzberger; Konrad Wagensohner; Erich Johann Bayer
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2028-12-23
Also published as: DE102008064402A1; US20100165686A1

Abstract

Gleichrichterschaltung (28) zur Verwendung in einer Energy-Harvesting-Anwendung, bei der mechanische Energie unter Verwendung eines Wechselspannungsgenerators (10) in elektrische Energie umgewandelt wird, mit:
einer aus vier gesteuerten Schaltern (T1–T4) bestehenden aktiven Gleichrichterbrücke mit zwei Eingangsanschlüssen (17), die mit einem Ausgang des Wechselspannungsgenerators (10) verbindbar sind, und mit zwei Ausgangsanschlüssen (40);
einer Induktivität (30), die an die Ausgangsanschlüsse (40) der aktiven Gleichrichterbrücke angeschlossen ist;
einem mit zwei Ausgangsanschlüssen (42) der Gleichrichterschaltung (28) verbundenen Speicherkondensator (34);
zwei Ausgangsschaltern (T5, T6), von denen der eine (T5) den einen Anschluss (40) der Induktivität (30) mit einem Anschluss des Speicherkondensators (34) verbindet und der andere (T6) den anderen Anschluss der Induktivität (30) mit dem anderen Anschluss des Speicherkondensators (34) verbindet und die den Speicherkondensator (34) selektiv an die Induktivität (30) anschließen; und
einer Steuereinheit (44) zur Steuerung der aktiven Gleichrichterbrücke und...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
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.
HINTERGRUND
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.
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.
Drahtlose Niedrigleistungssysteme benötigen andererseits eine Versorgungsgleichspannung, die üblicherweise 3,6 Volt nicht überschreitet.
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 V_vorwärts 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.
Aus der WO 2008/024529 A2 ist eine Schaltung bekannt, die eingangsseitig mit einer Wechselspannungsquelle und ausgangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sein kann. Die Schaltung enthält eine aktive Gleichrichterbrücke mit einer Induktivität zwischen deren Ausgangsanschlüssen. Der Energietransfer erfolgt derart, dass die Induktivität abwechselnd geladen und auf die andere Seite entladen wird.
Aus der US 2005/0218876 A1 ist ein DC-DC Wandler bekannt, bei dem der Energietransfer von der einen auf die andere Seite ebenfalls mittels Energiezwischenspeicherung in einer Induktivität erfolgen kann, wobei die Induktivität zwischen Mittenabgriffen zweier Zweigpaare liegt. Die Zweigpaare sind nicht zu einer Brücke verschaltet.
Die WO 2008/062377 A2 offenbart einen miniaturisierten Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Vibrationen.
Auch die vorgenannten Lösungen sind jedoch nicht effizient genug.
Es gibt somit einen Bedarf an einer Gleichrichterschaltung, die die Effizienz der Energieumwandlung zwischen der Wechselspannungsgeneratorausgabe und der gespeicherten Energie in einem Speicherkondensator erhöht.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gleichrichterschaltung bereitzustellen, die mit einem geringen Energieumwandlungsverlust in Energy-Harvesting-Systemen mit niedriger Leistung verwendet werden kann.
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, wobei der eine den einen Anschluss der Induktivität mit einem Anschluss des Speicherkondensators verbindet und der andere den anderen Anschluss der Induktivität mit dem anderen Anschluss des Speicherkondensators verbindet. 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.
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.
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.
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 Kopplungskondensator 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.
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.
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.
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.
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.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Energy-Harvesting-Systems nach dem Stand der Technik;
2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energy-Harvesting-Systems;
3 ein Diagramm des Zeitverhaltens von Spannungen und Strömen in einer erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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 C_out 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.
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, wird in ein drahtloses Niedrigleistungssystem LPW eingespeist.
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 C_OUT 38 angeschlossen. Der Kondensator C_OUT 38 ist mit seinem anderen Anschluss mit Masse verbunden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
3 zeigt das zeitliche Verhalten des Ausgangssignals des Wechselspannungsgenerators durch eine Linie 56 an. Es ist lediglich eine positive Halbwelle gezeigt.
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 I_L 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 I_L 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.
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 I_L 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.
Die Impedanz, die der Wechselspannungsgenerator sieht, d. h. die Eingangsimpedanz der Gleichrichterschaltung, wird mit dem Quotienten aus der Generatorausgangspannung und dem Durchschnittsstrom in den Entkopplungskondensator berechnet.
Durch Einstellen des Spitzenstroms I_Spitze, des Zeitintervalls t₁ und der Zyklusdauer T kann die Impedanz der Gleichrichterschaltung auf die Generatorimpedanz abgestimmt werden, wodurch die Effizienz der Energieumwandlung verbessert wird.
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.
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 54 ein Polaritätssignal an die drahtlose Niedrigleistungsschaltung LPW liefern. Je nach System kann das Polaritätssignal Informationen beinhalten, die der LPW benötigt, 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.
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 Linie 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.
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.

Claims

Gleichrichterschaltung (28) zur Verwendung in einer Energy-Harvesting-Anwendung, bei der mechanische Energie unter Verwendung eines Wechselspannungsgenerators (10) in elektrische Energie umgewandelt wird, mit: einer aus vier gesteuerten Schaltern (T1–T4) bestehenden aktiven Gleichrichterbrücke mit zwei Eingangsanschlüssen (17), die mit einem Ausgang des Wechselspannungsgenerators (10) verbindbar sind, und mit zwei Ausgangsanschlüssen (40); einer Induktivität (30), die an die Ausgangsanschlüsse (40) der aktiven Gleichrichterbrücke angeschlossen ist; einem mit zwei Ausgangsanschlüssen (42) der Gleichrichterschaltung (28) verbundenen Speicherkondensator (34); zwei Ausgangsschaltern (T5, T6), von denen der eine (T5) den einen Anschluss (40) der Induktivität (30) mit einem Anschluss des Speicherkondensators (34) verbindet und der andere (T6) den anderen Anschluss der Induktivität (30) mit dem anderen Anschluss des Speicherkondensators (34) verbindet und die den Speicherkondensator (34) selektiv an die Induktivität (30) anschließen; und einer Steuereinheit (44) zur Steuerung der aktiven Gleichrichterbrücke und der beiden Ausgangsschalter (T5, T6), so dass in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen innerhalb einer Halbwelle der Eingangswechselspannung von dem Ausgang des Wechselspannungsgenerators (10) die Induktivität (30) zunächst mit Strom von dem Ausgang des Wechselspannungsgenerators geladen und dann in den Speicherkondensator (34) entladen wird.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der ein Entkopplungskondensator (32) an die Eingangsanschlüsse (17) der aktiven Gleichrichterbrücke angeschlossen ist, wobei der Entkopplungskondensator kleiner ist als der Speicherkondensator (34) und einen Spitzenstrom in die aktive Gleichrichterbrücke mitteln kann.
Schaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Verhältnis eines Zeitintervalls t₁, in dem die Induktivität (30) geladen wird, zur Dauer T eines Schaltzyklus so eingestellt ist, dass sie auf die interne Impedanz des Wechselspannungsgenerators (10) abgestimmt ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner Folgendes aufweist: einen Gleichspannungwandler, der von dem Speicherkondensator (34) gespeist wird und eine Anwendungseinheit versorgt.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der: die Steuereinheit (44) ferner die aktive Gleichrichterbrücke steuern kann, um einen Überspannungsschutz durchzuführen, indem der Wechselspannungsgenerator (10) kurzgeschlossen wird, wenn die Ausgangsspannung des Wechselspannungsgenerators oder die im Speicherkondensator (34) gespeicherte Spannung eine maximale Spannung überschreitet.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner Folgendes aufweist: einen Polaritätsdetektor (46), der ein Polaritätssignal ausgeben kann.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit (44) ferner die Ausgangsspannung des Wechselspannungsgenerators (10) erfassen und den Betrieb der Gleichrichterschaltung auslösen kann, wenn die erfasste Spannung höher ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Energy-Harvesting-System mit einem Wechselspannungsgenerator (10) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus mechanischer Energie; einer Gleichrichterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit dem Eingang (17) an den Ausgang des Wechselspannungsgenerators (10) angeschlossen ist; und einem drahtlosen Niedrigleistungssystem (LPW) als Anwendungseinheit.