DE102009030319A1

DE102009030319A1 - Versorgungsenergieanordnung und Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsenergie

Info

Publication number: DE102009030319A1
Application number: DE102009030319A
Authority: DE
Inventors: Holger Alfons Eggert
Original assignee: Enocean GmbH
Current assignee: Enocean GmbH
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2011-02-03
Also published as: US20120235495A1; US9502924B2; EP2446518A1; WO2010149465A1

Abstract

Versorgungsenergieanordnung, umfassend einen Eingang (E), an dem eine Energiequelle (Q) gekoppelt ist, einen Ausgang (A) zum Anschluss eines Verbrauchers (V), einen ersten Energiespeicher (E1), der an den Eingang (E) und an den Ausgang (A) gekoppelt ist, einen zweiten Energiespeicher (E2), der an den Ausgang (A) gekoppelt ist und über ein Schaltmittel (S) an den Eingang (E) gekoppelt ist, und eine Steuerschaltung (C), die das Schaltmittel (S) so ansteuert, dass das Schaltmittel (S) den zweiten Energiespeicher (E2) vom Eingang (E) trennt, während der erste Energiespeicher (E1) durch die Energiequelle (Q) auf mindestens ein zweites vorgegebenes Energieniveau (N2) aufgeladen wird und der zweite Energiespeicher (E2) ein Energieniveau (V2) aufweist, welches unter einem ersten vorgegebenen Energieniveau (N1) liegt, und dass das Schaltmittel (S) den zweiten Energiespeicher (E2) mit dem Eingang (E) verbindet, falls die Energiequelle (Q) den ersten Energiespeicher (E1) auf mindestens ein zweites vorgegebenes Energieniveau (N2) aufgeladen hat und das Energieniveau (V1) des ersten Energiespeichers (E1) ein erstes vorgegebenes Energieniveau (N1) nicht unterschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Versorgungsenergieanordnung und ein zugehöriges Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsenergie, bei denen eine zuverlässige Energieversorgung für einen Verbraucher durch eine Energiequelle und Energiespeicher realisiert wird. Eine Energiespeicherung ist immer dann notwendig, falls die Energiequelle eine für den Betrieb des Verbrauchers zu geringe Energiebereitstellungsrate aufweist. Dies ist zum Beispiel der Fall bei Umgebungsenergiewandlern, die in der Umgebung vorhandene Licht- oder Wärmeenergie in elektrische Energie wandeln. Eine Herausforderung besteht hier darin, dass ausreichend Versorgungsenergie auch für Zeitpunkte, zu denen die Umgebungsenergie nicht vorhanden ist, zum Beispiel während einer Nachtperiode, in der kein Licht vorhanden ist, bereitgestellt wird. Üblicherweise wird hierzu ein Energiespeicher mit entsprechend großer Kapazität gewählt, der die Versorgungsenergie für diesen Zeitraum bereitstellt. Problematisch dabei ist, dass die Zeit zum Aufladen des Energiespeichers auf das zur Versorgung des Verbrauchers erforderliche Energieniveau im Allgemeinen mit der Kapazität des Energiespeichers zunimmt. Hat die Energiequelle nur eine geringe Energiebereitstellungsrate, so kann es unzumutbar lange dauern, bevor der Verbraucher in Betrieb genommen werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Versorgungsenergie für einen Verbraucher mit dem erforderlichen Energieniveau schnell und für einen langen Zeitraum bereitzustellen.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Versorgungsenergieanordnung, umfassend einen Eingang, an dem eine Energiequelle gekoppelt ist, einen Ausgang, zum Anschluss eines Verbrauchers, einen ersten Energiespeicher, der an den Eingang und an den Ausgang gekoppelt ist, einen zweiten Energiespeicher, der an den Ausgang gekoppelt ist und über ein Schaltmittel an den Eingang gekoppelt ist, und eine Steuerschaltung, die das Schaltmittel so ansteuert, dass das Schaltmittel den zweiten Energiespeicher vom Eingang trennt, während der erste Energiespeicher durch die Energiequelle auf mindestens ein zweites vorgegebenes Energieniveau aufgeladen wird und der zweite Energiespeicher ein Energieniveau aufweist, welches unter einem ersten vorgegebenen Energieniveau liegt, und das Schaltmittel den zweiten Energiespeicher mit dem Eingang verbindet, falls die Energiequelle den ersten Energiespeicher auf mindestens ein zweites vorgegebenes Energieniveau aufgeladen hat und das Energieniveau des ersten Energiespeichers ein erstes vorgegebenes Energieniveau nicht unterschreitet.
Da der zweite Energiespeicher während dem Aufladen des ersten Energiespeichers vom Eingang getrennt ist, wird die gesamte am Eingang anliegende Energie benutzt, um den ersten Energiespeicher aufzuladen. Auf diese Weise kann das zum Betreiben des Verbrauches erforderliche Energieniveau schnell erreicht werden. Erst wenn der erste Energiespeicher das zweite vorgegebene Energieniveau erreicht hat, lädt die am Eingang anliegende Energie auch den zweiten Energiespeicher auf. Der zweite Energiespeicher wird nur geladen, wenn die zum Betrieb des Verbrauchers erforderliche Energie bereits im ersten Energiespeicher vorhanden ist. Das zweite vorgegebene Energieniveau ist größer als das erste vorgegebene Energieniveau.
In einer Weiterbildung ist der erste Energiespeicher über eine Rückflusssperre so mit dem zweiten Energiespeicher gekoppelt, dass Energie nur vom zweiten Energiespeicher zum ersten Energiespeicher fließen kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich der bereits aufgeladene erste Energiespeicher in den noch nicht aufgeladenen zweiten Energiespeicher entlädt.
In einer Weiterbildung weist die Steuerschaltung einen dritten Energiespeicher auf, der an den Eingang gekoppelt ist und die Steuerschaltung mit Energie versorgt, wobei für den Zweck der Ansteuerung des Schaltmittels das Energieniveau des dritten Energiespeichers das Energieniveau des ersten Energiespeichers ersetzt. Auf diese Weise wird dem ersten Energiespeicher keine Energie für das Betreiben der Steuerschaltung entzogen.
In einer Weiterbildung sind der erste und der zweite Energiespeicher über eine jeweilige Rückflusssperre mit dem Eingang gekoppelt, wobei die Rückflusssperren einen Energiefluss vom jeweiligen Energiespeicher zum Eingang verhindern. Auf diese Weise können die Energiespeicher über den Eingang aufgeladen werden; sie werden aber durch den Eingang nicht entladen, falls dieser ein niedrigeres Energieniveau als die Energiespeicher aufweist.
In einer Weiterbildung weist der zweite Energiespeicher eine Energiespeicherkapazität auf, die mindestens zehnmal oder mindestens hundertmal größer ist, als die Energiespeicherkapazität des ersten Energiespeichers. Auf diese Weise kann der erste Energiespeicher im Vergleich zum zweiten Energiespeicher sehr schnell auf das zum Betrieb des Verbrauchers erforderliche Energieniveau geladen werden, während der zweite Energiespeicher im Vergleich zum ersten Energiespeicher einen Verbraucher für eine sehr lange Zeit mit der erforderlichen Energie versorgen kann.
In einer Weiterbildung weist die Steuerschaltung einen Energieniveauvergleicher auf, der das Energieniveau des ersten oder des dritten Energiespeichers mit dem ersten und dem zweiten vorgegebenen Energieniveau vergleicht. Auf diese Weise kann geprüft werden, ob das Energieniveau des ersten oder dritten Energiespeichers unter dem ersten vorgegebenen Energieniveau liegt. Gleichzeitig kann sichergestellt werden, dass der zweite Energiespeicher nur geladen wird, falls der erste oder dritte Energiespeicher bereits auf ein ausreichendes Energieniveau, das heißt, zumindest auf das zweite vorgegebene Energieniveau aufgeladen wurde und somit ein ausreichendes Energieniveau für den Betrieb des Verbrauchers haben.
In einer Weiterbildung ist ein Energieniveaubegrenzer vorgesehen, der das Energieniveau in der Versorgungsenergieanordnung auf einen maximalen Wert begrenzt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Versorgungsenergieanordnung nicht durch zu hohe Energieniveaus beschädigt wird.
In einer Weiterbildung sind die Energiespeicher Kondensatoren und die Energieniveaus Spannungen. Auf diese Weise kann Energie in der Form von elektrischer Energie kompakt gespeichert und geregelt werden.
In einer Weiterbildung sind die Rückflusssperren Dioden. Auf diese Weise kann ein Rückfluss von Energie in der Form von Strom von den Kondensatoren in Richtung des Eingangs, beziehungsweise vom ersten zum zweiten Kondensator vermieden werden.
In einer Weiterbildung ist die Energiequelle ein Umgebungsenergiewandler. Auf diese Weise kann kostenlos zur Verfügung stehende Umgebungsenergie für den Betrieb eines Verbrauchers genutzt werden.
In einer Weiterbildung ist die Versorgungsenergieanordnung als integrierte Schaltung ausgeführt. Eine Integration senkt die Herstellungskosten, erhöht die Zuverlässigkeit und verringert den Platzbedarf.
Die Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsenergie gelöst: Zunächst wird ein erster Energiespeicher zum Erhöhen seines Energieniveaus aus einer Energiequelle aufgeladen wird, und wenn der erste Energiespeicher ein zweites vorgegebenes Energieniveau erreicht hat, wird auch ein zweiter Energiespeicher aus der Energiequelle aufgeladen, wobei, falls der erste Energiespeicher sich auf ein erstes vorgegebenes Energieniveau entladen hat, der zweite Energiespeicher für den Zeitraum, der benötigt wird um den ersten Energiespeicher wieder auf das zweite vorgegebene Energieniveau aufzuladen, von der Energiequelle getrennt wird.
Auf diese Weise wird verhindert, dass das Aufladen des zweiten Energiespeichers das Aufladen des ersten Energiespeichers über das erste vorgegebene Energieniveau hinaus negativ beeinträchtigt. Alle durch die Energiequelle bereitgestellte Energie wird zunächst benutzt, um den ersten Energiespeicher alleine aufzuladen. Durch das bevorzugte Laden des ersten Energiespeichers kann schnell eine Versorgungsenergie bereitgestellt werden, die das zum Betreiben des Verbrauchers erforderliche Energieniveau hat.
In einer Weiterbildung hat der erste Energiespeicher eine Energiespeicherkapazität, die mindestes zehnmal oder mindestens hundermalgeringer ist als die Energiespeicherkapazität des zweiten Energiespeichers. Durch die geringere Energiespeicherkapazität des ersten Energiespeichers kann dieser schnell das zum Betreiben des Verbrauchers erforderliche Energieniveau aufgeladen werden. Erst danach wird auch der größere Energiespeicher mit der überschüssigen Energie aus der Energiequelle aufladen. Der zweite Energiespeicher dient dabei aufgrund seiner größeren Kapazität zur Langzeitenergieversorgung des Verbrauchers.
In einer Weiterbildung wird, falls die Energiequelle die zu bereitstellende Versorgungsenergie nicht liefern kann, die fehlende Versorgungsenergie zunächst aus dem ersten Energiespeicher und, falls erforderlich, anschließend auch aus dem zweiten Energiespeicher entnommen. Auf diese Weise ist die Bereitstellung der Versorgungsenergie auch dann gesichert, wenn die Energiequelle nicht ausreichend Energie zum Betrieb des Verbrauchers liefert.
In einer Weiterbildung wird anstelle des Energieniveaus des ersten Energiespeichers, anhand dessen entschieden wird, ob der zweite Energiespeicher aufgeladen wird, das Energieniveau eines dritten Energiespeichers benutzt, wobei der dritte Energiespeicher mit der Energiequelle gekoppelt ist und nicht zum Bereitstellen der Versorgungsenergie dient. Der dritte Energiespeicher wird direkt von der Energiequelle aufgeladen und belastet den ersten und zweiten Energiespeicher nicht.
In einer Weiterbildung wird ein Energiefluss von dem ersten, zweiten und dritten Energiespeicher zur Energiequelle und von dem ersten Energiespeicher zu dem zweiten Energiespeicher verhindert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Energiespeicher ihre Energie nicht über den Eingang an die Energiequelle verlieren und dass der erste Energiespeicher vor dem zweiten Energiespeicher aufgeladen werden kann.
Die Versorgungsenergieanordnung und das Verfahren werden zum Betreiben eines Sensors oder Aktuators, die für die Kommunikation ein Funkmodul aufweisen, eingesetzt. Durch das bevorzugte Aufladen des ersten Energiespeichers sind diese schnell einsatzbereit, und falls die Umgebungsenergiewandler keine Energie liefern, können sie über den zweiten Energiespeicher mit Energie versorgt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren beschrieben. Es zeigen:
1: ein Ausführungsbeispiel einer Versorgungsenergieanordnung,
2: ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung,
3: beispielhafte Zeitverläufe von Energieniveaus,
4: ein Ausführungsbeispiel eines Schaltmittels,
5: ein Ausführungsbeispiel eines Energieniveaubegrenzers, und
6: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Energieniveaubegrenzers.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Versorgungsenergieanordnung mit einem Eingang E und einem Ausgang A. An dem Eingang E ist eine Energiequelle Q angeschlossen, die im Falle einer elektrischen Energiequelle einen Strom I und eine Spannung Vin liefert. Die Energiequelle Q kann zum Beispiel ein Umgebungsenergiewandler sein, der Umgebungsenergie in elektrische Energie wandelt. Umgebungsenergiewandler sind zum Beispiel Photovoltaikwandler oder Thermovoltaikwandler, die in der Umgebung vorhandene Licht- oder Wärmeenergie in elektrische Energie umwandeln. Am Ausgang A stellt die Versorgungsenergieanordnung die zum Betreiben eines Verbrauchers V erforderliche Energie mit der Ausgangsspannung Vdd bereit.
Zum Speichern der Energie der Energiequelle Q ist ein erster Energiespeicher E1 vorgesehen, der über eine Rückflusssperre D1 mit dem Eingang E verbunden ist. Auf diese Weise kann Energie nur vom Eingang E zum ersten Energiespeicher E1 fließen, aber nicht zurück. Der erste Energiespeicher E1 ist weiter mit dem Ausgang A verbunden, so dass die in ihm gespeicherte Energie dem Verbraucher V zugeführt werden kann. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Energiespeicher E1 ein Kondensator und die Rückflusssperre D1 eine Diode.
Zum Speichern der Energie der Energiequelle Q ist weiter ein zweiter Energiespeicher E2 vorgesehen, der über eine Rückflusssperre D2 und einem Schaltmittel S mit dem Eingang E verbunden ist. Durch die Rückflusssperre D2 kann Energie nur vom Eingang E zum zweiten Energiespeicher E2 fließen, aber nicht zurück. Der zweite Energiespeicher E2 ist weiter über eine Rückflusssperre D4 mit dem Ausgang A und dem ersten Energiespeicher E1 verbunden. Durch die Rückflusssperre D4 kann Energie nur vom zweiten Energiespeicher E2 zum ersten Energiespeicher E1 fließen, aber nicht zurück. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der erste Energiespeicher E1 sich nicht über den zweiten Energiespeicher E2 entlädt. Der zweite Energiespeicher E2 weist eine Energiespeicherkapazität auf, die mindestens hundert Mal größer ist, als die Energiespeicherkapazität des ersten Energiespeichers E1. Wie beim ersten Energiespeicher E1 ist der zweite Energiespeicher E2 ein Kondensator und die Rückflusssperren D2 und D4 sind Dioden.
Das Schaltmittel S wird durch eine Steuerschaltung C angesteuert, die über den Knoten B mit dem Eingang E verbunden ist. Sind der erste und der zweite Energiespeicher E1 und E2 entladen, so wird zunächst durch Öffnen des Schaltmittels S der erste Energiespeicher E1 durch die Energiequelle Q auf ein zweites vorgegebenes Energieniveau N2 aufgeladen. Erst danach wird der zweite Energiespeicher E2 durch Schließen des Schaltmittels S mit der Energiequelle Q verbunden und aufgeladen. Sobald das Energieniveau V1 des ersten Energiespeichers E1 unter ein erstes Energieniveau N1 sinkt, wird der zweite Energiespeicher E2 durch das Schaltmittel S vom Eingang E getrennt und so dessen Aufladung unterbrochen. Die gesamte vom Verbraucher V nicht benötigte Energie der Energiequelle Q lädt den ersten Energiespeichers E1 auf.
Da der erste Energiespeicher E1 gegenüber dem zweiten Energiespeicher E2 eine sehr kleine Kapazität aufweist, dauert es nicht lange, bis der erste Energiespeicher E1 ein Energieniveau hat, mit dem ein am Ausgang A angeschlossener Verbraucher V betrieben werden kann. Erst danach wird mit der überschüssigen Energie der Energiequelle Q die zeitaufwändige Ladung des sehr viel größeren zweiten Energiespeichers E2 begonnen.
Im vorliegenden Fall sind die Energieniveaus Spannungen und die Energiespeicher Kondensatoren. Das oben beschriebene Prinzip kann auch auf andere Energieformen, wie zum Beispiel elektrische Ströme, Wärmeenergie oder Bewegungsenergie angewandt werden, wobei die Energie dann in Spulen, Wärmebehältern oder Schwungrädern gespeichert wird.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung C, die eine Rückflusssperre D3, einen dritten Energiespeicher E3 und einen Energieniveauvergleicher IC1 aufweist. Die Steuerschaltung C ist, wie in 1 gezeigt. über die Konten B und F mit dem Rest der Versorgungsenergieanordnung verbunden. Die Rückflusssperre D3 ist mit dem Eingang E verbunden und lässt Energie von der Energiequelle Q zum Energieniveauvergleichers IC1 und zum dritten Energiespeicher E3 fließen. Die dritte Energiequelle E3 wird dadurch aufgeladen und dient auch zur Versorgung des Energieniveauvergleichers IC1, falls die Energiequelle Q ein Energieniveau Vin aufweist, welches unter dem Energieniveau V3 des dritten Energiespeichers E3 liegt. Durch die Rückflusssperre D3 ist ein Entladen des dritten Energiespeichers E3 über den Eingang E ausgeschlossen. Der Energieniveauvergleicher IC1 weist eine Hysterese mit einem ersten vorgegebenen Energieniveau N1 und einem zweiten vorgegebenen Energieniveau N2 auf, die ein ständiges Betätigen des Schaltmittel S verhindert. Das erste vorgegebene Energieniveau N1 kann jedoch auch mit dem zweiten vorgegebenen Energieniveaus N2 gleich sein.
Falls die Rückflusssperren D1 und D3 identisch sind, sind auch die Energieniveaus V1 und V3 an dem ersten Energiespeicher E1 und dem dritte Energiespeicher E3 für die Zeit des gemeinsamen Aufladens durch die Energiequelle Q identisch. Das Energieniveau V3 am dritten Energiespeicher E3 ist somit ein Maß für das Energieniveau V1 des ersten Energiespeichers E1. Anstelle des Energieniveaus V3 des dritten Energiespeichers E3 kann auch das Energieniveau V1 des ersten Energiespeichers E1 direkt in der Steuerschaltung C benutzt werden, indem der Eingang der Steuerschaltung C mit dem Knoten L in 1 verbunden wird. Der Energieniveauvergleicher IC1 wird dabei aus der für den Verbraucher V vorgesehenen Energie des ersten Energiespeichers E1 und des zweiten Energiespeichers E2 betrieben.
3 zeigt beispielhafte und schematische Zeitverläufe der Energieniveaus, die beim Betreiben der Versorgungsenergieanordnung nach 1 und 2 auftreten. Im Folgenden sind die Energieniveau als Spannungen und die Energiespeicher als Kondensatoren angegeben, wobei, wie oben ausgeführt, auch andere Energieformen eingesetzt werden können. Zur Vereinfachung der Darstellung werden, bis auf einige Ausnahmen, die Spannungsabfälle an den Dioden D1, D2, D3 und D4 bei den Zeitverläufen vernachlässigt.
Ab dem Zeitpunkt t0 wird angenommen, dass die Energiequelle Q einen konstanten Strom I bei einer Eingangsspannung Vin liefert. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Energiequelle Q ein Photovoltaikwandler ist, der sich bei konstanten Bestrahlungsverhältnissen wie eine Stromquelle verhält. Gleichzeitig wird angenommen, dass die Energiespeicher E1, E2 und E3 leer sind, das heißt, die Kondensatoren weisen Spannungen von V1 = V2 = V2 = 0 Volt auf.
Die Spannung V3 an dem dritten Kondensator E3 liegt unter der dem zweiten Energieniveau N2. Das Schaltmittel S ist somit geöffnet und der zweite Kondensator E2 wird nicht aufgeladen, das heißt, er behält weiter eine Spannung V2 = 0 V. Der erste und der dritte Kondensator E1 und E3 werden dagegen durch den konstanten Strom I linear und durch ihre Parallelschaltung zusammen geladen und bestimmen die Eingangsspannung Vin. Die Ladung des ersten und dritten Kondensators E1 und E3 fängt dabei an, wenn die Eingangsspannung Vin die Schwellspannung der Dioden D1 und D3 überschreitet. Zur Vereinfachung ist der Einfluss der Schwellspannung nicht dargestellt, so dass Vin = V1 = V3 gezeigt ist.
Zu einem Zeitpunkt t1 erreicht die Spannung V3 am dritten Kondensator E3 ein zweites vorgegebenes Energieniveau N2, beziehungsweise eine zweite vorgegebene Spannung N2. Die Steuerschaltung C gibt zu diesem Zeitpunkt ein Signal an den Knoten F aus, wodurch das Schaltmittel S die Diode D2 und wenn diese leitet, auch den zweiten Kondensator E2 mit dem Eingang E verbindet, siehe unterster Zeitverlauf in 3, der die Spannung am Knoten F darstellt. Die Eingangsspannung Vin nimmt dadurch die Spannung V2 des zweiten Kondensators E2 an, die hier V2 = 0 Volt ist.
In dem Zeitraum zwischen t1 und t2 wird nun auch der zweite Kondensator E2 geladen. Da dieser eine größere Kapazität als der erste und dritte Kondensator E1 und E3 hat, ist der Spannungsanstieg weniger steil als deren Spannungsanstieg im Zeitraum t0 bis t1. Die Eingangspannung Vin wird dabei von der Spannung V2 des zweiten Kondensators E2 bestimmt.
Über die Diode D1 und D3 sind der erste Kondensator E1 und der dritte Kondensator E3 aufgrund ihrer höheren Spannungen V1 und V3 gegenüber der Eingangspannung Vin von dieser abgekoppelt und beeinflussen diese nicht. Der erste Kondensator E1 und der dritte Kondensator E3 versorgen den Verbraucher V und den Energieniveauvergleicher IC1 mit Energie, wodurch sich ihr Energieniveau verringert. In 3 ist der Übersichtlichkeit halber gezeigt, dass die Spannungen V1 und V3 mit der gleichen Steilheit abfallen. Tatsächlich ergibt sich die Steilheit aus den Kapazitäten des ersten und des dritten Kondensators E1 und E3 und aus den von den Kondensatoren E1 und E3 bereitgestellten Strömen.
Zum Zeitpunkt t2 ist das Energieniveau V3 des dritten Kondensators E3 auf ein erstes vorgegebenes Energieniveau N1, beziehungsweise eine erste vorgegebene Spannung N1 abgefallen. Um eine zuverlässige Energieversorgung des Verbrauchers V sicherzustellen, muss verhindert werden, dass das Energieniveau V1 des ersten Kondensators E1 nicht weiter abfällt. Dazu wird das Schaltmittel S durch die Steuerschaltung C so angesteuert, dass keine Verbindung des zweiten Kondensators E2 mit der Energiequelle Q besteht, siehe Spannung am Knoten F in 3. Die Energie der Energiequelle Q wird nicht mehr zum Aufladen des zweiten Kondensators E2 benutzt, so dass der erste Kondensator E1 schneller geladen werden kann.
Die Eingangsspannung Vin springt dabei auf die niedrigere Spannung von den Spannungen V1 und V3 des erstes und des dritten Kondensators E1 und E3. In 3 ist diese Spannung gleich der ersten vorgegebenen Spannung N1 gewählt. Daraufhin wird der Kondensator mit der niedrigeren Spannung auf die höhere Spannung des anderen Kondensators aufgeladen. Sobald die Kondensatoren E1 und E3 die gleiche Spannung aufweisen, werden sie mit dem gleichen Spannungsanstieg zusammen aufgeladen. Der Einfachhalt ist in 3 angenommen, dass die Spannungsverläufe V1 und V3 im Wesentlichen wieder identisch sind, obwohl sie durch unterschiedliche aus den Kondensatoren abfließende Ströme auch unterschiedlich sein können. Ab dem Zeitpunkt t3 ist der dritte Kondensator E3 wieder auf die zweite vorgegebene Spannung N2 aufgeladen. Da zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 kein Strom ab- oder zufließen kann, behält der zweite Kondensator E2 für diesen Zeitraum seine Spannung V2 konstant bei.
Der Ablauf von den Zeitpunkten t1 bis t3 wiederholt sich so oft, bis die Spannung V2 am zweiten Kondensator E2 die erste vorgegebene Spannung N1 überschreitet und selber zur Energieversorgung des Verbrauchers V beitragen kann. Der zweite Kondensator E2 kann somit weitergeladen werden, ohne die Energieversorgung des Verbrauchers V zu beeinträchtigen.
Zu einem Zeitpunkt t4 sind die Spannungen V1, V2 und V3 des ersten, des zweiten und des dritten Kondensators E1, E2 und E3 gleich groß; die Kondensatoren E1, E2 und E3 werden durch deren Parallelschaltung zusammen mit der gleichen Spannung Vin aufgeladen. Die Steigung des Spannungsanstiegs für den Zeitraum zwischen t4 und t5 ist dabei flacher als zwischen den Zeiträumen t0 bis t1 oder t1 bis t2, da nun alle drei Kondensatoren E1, E2 und E3 parallelgeschaltet durch die Energiequelle Q aufgeladen werden.
Zum Zeitpunkt t5 sind alle Energiespeicher E1, E2 und E3 auf das maximale Energieniveau M, beziehungsweise die maximale Spannung M aufgeladen. Die maximale Spannung M kann dabei durch die Energiequelle Q vorgegeben werden, wie es zum Beispiel bei einem Photovoltaikwandler geschieht. Das maximal mögliche Energieniveau M kann auch durch Energieniveaubegrenzer, wie zum Beispiel der in den 5 und 6 gezeigten Energieniveaubegrenzer S1 und S2, eingeschränkt werden.
Zum Zeitpunkt t6 wird angenommen, dass die Energiequelle Q keinen Strom I mehr liefert. Dies kann zum Beispiel auftreten, wenn der Photovoltaikwandler nicht mehr bestrahlt wird, also zum Beispiel in der Nacht. Über die Dioden D1, D2 und D3 sind die Kondensatoren E1, E2 und E3 von der Energiequelle Q getrennt, so dass die Eingangsspannung Vin auf 0 V fällt. Der Verbraucher V wird nun direkt aus dem ersten Kondensator E1 betrieben, wodurch dessen Spannung V1 abfällt. Zu einem Zeitpunkt t7 ist die Spannung V1 so weit gefallen, dass die Spannung V2 am zweiten Kondensator E2 um die Schwellenspannung der Diode D4 größer ist als die Spannung V1 am ersten Kondensator E1. Die Diode D4 leitet und der Verbraucher V wird nun auch zusätzlich aus dem zweiten Energiespeicher E2 mit Energie versorgt. Die Steigung nach dem Zeitpunkt t7 hängt von der Kapazität der parallelgeschalteten ersten und zweiten Kondensatoren E1 und E2 und der vom Verbraucher V benötigten Energie ab. In 3 ist die Schwellspannung der Diode D4 nicht berücksichtigt, so dass die Verläufe für V1 und V2 zusammenfallen. Gleichzeitig wird angenommen, dass der dritte Kondensator E3 sich ab dem Zeitpunkt t7 mit der gleichen Steigung wie der erste und zweite Kondensator E1 und E2 entlädt. Diese Einschränkungen sind nicht notwendig; sie dienen einfach dazu, die Figur übersichtlich zu halten.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltmittels S, bestehend aus einem PMOS Transistor T1, einem NMOS-Transistor T2 und einem Widerstand R1. Über den Knoten F wird der Transistor T2 angesteuert und verbindet oder trennt das Gate des Transistors T1 mit Masse. Leitet der Transistor T2, so leitet Transistor T1 ebenfalls, wodurch eine Verbindung zwischen den Anschlüssen B und H hergestellt wird. Sperrt der Transistor T2, so wird über den Widerstand R1 das Gate des Transistors T1 gegenüber dem Knoten B positive, wodurch der Transistor T1 sperrt. Das Schaltmittel S ist wie in 1 gezeigt mit den Knoten B, F und H verbunden. Auch andere Schaltmittel S mit ähnlicher Funktionalität sind möglich.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Energieniveaubegrenzers S1, mit dem Energie am Eingang E begrenzt werden kann. Der Knoten B des Eingangs E wird dabei über einen Transistor T3 mit Masse verbunden. Der Transistor T3 wird dabei von einem Energieniveauvergleicher IC2 über einen Widerstand R2 angesteuert. Der Eingang des Energieniveauvergleicher IC2 ist mit dem Knoten F verbunden, der auch zum Ansteuern des Schaltmittels S dient. Die Steuerschaltung C ist hierfür so aufgebaut, dass sie an Knoten F ein Signal mit 0 V oder die Spannung V3 des dritten Kondensators E3 ausgibt, siehe 2. Da die Spannung V3 bis auf die Schwellspannung der Diode D3 mit Vin übereinstimmt, kann am Knoten F somit auch die Eingangspannung Vin abgegriffen werden. Über ein Referenzenergieniveau, beziehungsweise über eine Referenzspannung des Energieniveauvergleicher IC2 kann auf diese Weise die Spannung Vdd am Ausgang A, mit der der Verbraucher betrieben wird, eingestellt werden. Liegt die Spannung am Knoten F über der Referenzspannung, so wird der Knoten B und auch die Energiequelle Q über den Transistor T3 gegen Masse kurzgeschlossen. Liegt sie dagegen unter der Referenzspannung, so leitet der Transistor T3 nicht. Der Energieniveauvergleicher IC2 kann dabei wie der Energieniveauvergleicher IC1 aufgebaut sein und dieselbe Funktionalität besitzen.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines weiteren Energieniveaubegrenzers S2, bei dem die Verbindung zwischen dem Eingang E und dem Knoten B über den Transistor T4 gesteuert wird. In ähnlicher Weise wie in 5 ist ein Energieniveauvergleicher IC3 vorgesehen, dessen Eingang mit dem Knoten F verbunden ist und der über den Widerstand R3 den Transistor T4 ansteuert. Anstelle eines Nebenschlusses findet hier zur Energiebegrenzung eine Längsregelung statt.
Die Energieniveaubegrenzer S1 und S2 können auch an anderen Stellen der Schaltung, wie zum Beispiel am Ausgang A oder an einem der Energiespeicher, angeschlossen werden, um so das Energieniveau zu beschränken.
Bezugszeichenliste

A

Ausgang

B

Knoten

C

Steuerschaltung

D1, D2, D3, D4

Rückflusssperren

E

Eingang

E1, E2, E3

erster, zweiter und dritter Energiespeicher

F

Knoten

I

Strom

IC1, IC2, IC3

Energieniveauvergleicher

H

Knoten

K

Knoten

L

Knoten

M

maximales Energieniveau

N1, N2

erstes und zweites vorgegebenes Energieniveau

Q

Energiequelle, Umgebungsenergiewandler

R1, R2, R3

Widerstände

S

Schaltmittel

S1, S2

Energieniveaubegrenzer

t1

bis t7 Zeitpunkte

T1, T2, T3, T4

Transistoren

V

Verbraucher

V1, V2, V3

Spannungen an den Kondensatoren

Vin, Vdd

Spannungen am Eingang und Ausgang

Claims

Versorgungsenergieanordnung, umfassend – einen Eingang (E), an dem eine Energiequelle (Q) gekoppelt ist, – einen Ausgang (A), zum Anschluss eines Verbrauchers (V), – einen ersten Energiespeicher (E1), der an den Eingang (E) und an den Ausgang (A) gekoppelt ist, – einen zweiten Energiespeicher (E2), der an den Ausgang (A) gekoppelt ist und über ein Schaltmittel (S) an den Eingang (E) gekoppelt ist, und – eine Steuerschaltung (C), die das Schaltmittel (S) so ansteuert, dass – das Schaltmittel (S) den zweiten Energiespeicher (E2) vom Eingang (E) trennt, während der erste Energiespeicher (E1) durch die Energiequelle (Q) auf mindestens ein zweites vorgegebenes Energieniveau (N2) aufgeladen wird und der zweite Energiespeicher (E2) ein Energieniveau (V2) aufweist, welches unter einem ersten vorgegebenen Energieniveau (N1) liegt, und – das Schaltmittel (S) den zweiten Energiespeicher (E2) mit dem Eingang (E) verbindet, falls die Energiequelle (Q) den ersten Energiespeicher (E1) auf mindestens ein zweites vorgegebenes Energieniveau (N2) aufgeladen hat und das Energieniveau (V1) des ersten Energiespeichers (E1) ein erstes vorgegebenes Energieniveau (N1) nicht unterschreitet.
Versorgungsenergieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (E1) über eine Rückflusssperre (D4) so mit dem zweiten Energiespeicher (E2) gekoppelt ist, dass Energie nur vom zweiten Energiespeicher (E2) zum ersten Energiespeicher (E1) fließen kann.
Versorgungsenergieanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (C) einen dritten Energiespeicher (E3) aufweist, der an den Eingang (E) gekoppelt ist und die Steuerschaltung (C) mit Energie versorgt, wobei für den Zweck der Ansteuerung des Schaltmittels (S) das Energieniveau (V3) des dritten Energiespeichers (E3) das Energieniveau (V1) des ersten Energiespeichers (E1) ersetzt.
Versorgungsenergieanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (E1) und der zweite Energiespeicher (E2) über eine jeweilige Rückflusssperre (D1, D2) mit dem Eingang (E) gekoppelt sind, wobei die Rückflusssperren (D1, D2) einen Energiefluss vom jeweiligen Energiespeicher (E1, E2) zum Eingang (E) verhindern.
Versorgungsenergieanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (E2) eine Energiespeicherkapazität aufweist, die mindestens zehnmal größer ist, als die Energiespeicherkapazität des ersten Energiespeichers (E1).
Versorgungsenergieanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (E2) eine Energiespeicherkapazität aufweist, die mindestens hundertmal größer ist, als die Energiespeicherkapazität des ersten Energiespeichers (E1).
Versorgungsenergieanordnung nach einem der nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (C) einen Energieniveauvergleicher (IC1) aufweist, der das Energieniveau (V1, V3) des ersten oder des dritten Energiespeichers (E1, E3) mit dem ersten und dem zweiten vorgegebenen Energieniveau (N1, N2) vergleicht.
Versorgungsenergieanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energieniveaubegrenzer (S1, S2) vorgesehen ist, der das Energieniveau in der Versorgungsenergieanordnung auf einen maximalen Wert (M) begrenzt.
Versorgungsenergieanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (E1, E2, E3) Kondensatoren und die Energieniveaus Spannungen sind.
Versorgungsenergieanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückflusssperren (D1, D2, D3, D4) Dioden sind.
Versorgungsenergieanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (Q) ein Umgebungsenergiewandler ist.
Versorgungsenergieanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsenergieanordnung als integrierte Schaltung ausgeführt ist.
Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsenergie dadurch gekennzeichnet, dass – zunächst ein erster Energiespeicher (E1) zum Erhöhen seines Energieniveaus (V1) aus einer Energiequelle (Q) aufgeladen wird, und – wenn der erste Energiespeicher (E1) ein zweites vorgegebenes Energieniveau (N2) erreicht hat, auch ein zweiter Energiespeicher (E2) aus der Energiequelle (Q) aufgeladen wird, wobei falls der erste Energiespeicher (E1) sich auf ein erstes vorgegebenes Energieniveau (N1) entladen hat, der zweite Energiespeicher (E2) für den Zeitraum, der benötigt wird, um den ersten Energiespeicher (E1) wieder auf das zweite vorgegebene Energieniveau (N2) aufzuladen, von der Energiequelle (Q) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (E1) eine Energiespeicherkapazität hat, die mindestes zehnmal geringer ist als die Energiespeicherkapazität des zweiten Energiespeichers (E2).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (E1) eine Energiespeicherkapazität hat, die mindestes hundertmal geringer ist als die Energiespeicherkapazität des zweiten Energiespeichers (E2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass falls die Energiequelle (Q) die zu bereitstellende Versorgungsenergie nicht liefern kann, die fehlende Versorgungsenergie zunächst aus dem ersten Energiespeicher (E1) und, falls erforderlich, anschließend auch aus dem zweiten Energiespeicher (E2) entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Energieniveaus (V1) des ersten Energiespeichers (E1), anhand dessen entschieden wird, ob der zweite Energiespeicher (E2) aufgeladen wird, das Energieniveau (V3) eines dritten Energiespeichers (E3) benutzt wird, wobei der dritte Energiespeicher (E3) mit der Energiequelle (Q) gekoppelt ist und nicht zum Bereitstellen der Versorgungsenergie dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiefluss von dem ersten, zweiten und dritten Energiespeicher (E1, E2, E3) zur Energiequelle (Q) und von dem ersten Energiespeicher (E1) zu dem zweiten Energiespeicher (E2) verhindert wird.
Verwendung der Versorgungsenergieanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und des Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 18 zum Betreiben eines Sensors oder Aktuators, die für die Kommunikation ein Funkmodul aufweisen.