DE102010017532A1

DE102010017532A1 - Schaltung zur geregelten Aufnahme und Wandlung von Energie aus einem magnetischen Wechselfeld

Info

Publication number: DE102010017532A1
Application number: DE102010017532A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Prof. Dr. Rothermel; Christian Brendler
Original assignee: Retina Implant AG
Current assignee: Retina Implant AG
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2012-02-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung, umfassend eine Spule (12) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss (14, 16); einen Gleichrichter (20) mit zwei Eingängen (22, 24) und zwei Ausgängen (26, 28), wobei der erste Anschluss (14) der Spule (12) mit dem ersten Eingang (22) des Gleichrichters (20) und der zweite Anschluss (16) der Spule (12) mit dem zweiten Eingang (24) des Gleichrichters (20) verbunden ist und wobei der Gleichrichter (20) dazu eingerichtet ist, zwischen seinen beiden Ausgängen (26, 28) eine Gleichspannung zu erzeugen, wenn die Spule (12) von einem magnetischen Wechselfeld durchsetzt und somit zwischen den beiden Eingängen (22, 24) des Gleichrichters eine Wechselspannung erzeugt wird, einen Schalter (18) mit einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand, wobei der Schalter (18) zwischen dem ersten Anschluss (14) und dem zweiten Anschluss (16) der Spule (12) und somit parallel zur Spule (12) angeordnet und ferner dazu eingerichtet ist, bei Empfang eines ersten Steuersignals in den geöffneten Zustand und bei Empfang eines zweiten Steuersignals in den geschlossenen Zustand zu treten, eine Steuerungsvorrichtung (32), die mit dem Schalter (18) gekoppelt und dazu eingerichtet ist, eine von der Stärke des die Spule (12) durchsetzenden magnetischen Wechselfeldes abhängige Größe zu bestimmen und, in Abhängigkeit von der bestimmten Größe, das erste oder das zweite Steuersignal an den Schalter (18) zu geben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur geregelten Aufnahme und Wandlung von Energie aus einem magnetischen Wechselfeld. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur kontrollierten Energieversorgung medizinischer Implantate geeignet.
In 1 ist eine bekannte Schaltung 100 gezeigt, mit deren Hilfe Energie aus einem durch einen Pfeil angedeuteten magnetischen Wechselfeld aufgenommen und in elektrische Energie in Form einer Gleichspannung U_out gewandelt wird, die wiederum zum Betrieb einer Vorrichtung, beispielsweise eines medizinischen Implantats, verwendet werden kann. Hierzu wird in einer Spule 102 der Schaltung 100 aufgrund des sich fortwährend ändernden magnetischen Flusses ein Wechselstrom induziert, der für eine Wechselspannung an dem ersten Kondensator 104 und somit zwischen den beiden Eingängen des Gleichrichters 106 sorgt. Der Gleichrichter 106 wandelt diese Wechselspannung in die mit Hilfe eines zweiten Kondensators 108 und eines Querreglers 110 geglättete Gleichspannung U_out.
Bei dieser bekannten Schaltung 100 sind die Spule 102 und der erste Kondensator 104 üblicherweise so aufeinander abgestimmt, dass dem magnetischen Wechselfeld bei einer Resonanzfrequenz eine maximale Energie entzogen und in elektrische Energie gewandelt werden kann. Übertrifft dabei die von der Schaltung 100 aus dem magnetischen Wechselfeld entnommene und in Form der Gleichspannung U_out bereitgestellte Energie den momentanen Energiebedarf des von der Schaltung 100 versorgten Implantats, so wird die Gleichspannung U_out ganz oder zum Teil an einen Shunt-Widerstand angelegt und somit als Wärme abgegeben (Shunt-Regelung). Ein Beispiel einer solchen Shunt-Regelung findet sich in Ortmanns et al, Solid-State Circuits Conference (2007), ISSCC 2007, Digest of Technical Papers, Seiten 152 und 153.
Bei der Verwendung einer solchen Shunt-Regelung kann es jedoch leicht zu einer unkontrollierten Erwärmung der Umgebung der Schaltung 100 kommen. Speziell können daher beim Einsatz der Schaltung 100 in einem medizinischen Implantat unerwünschte Beeinträchtigungen bis hin zu Schädigungen des umliegenden Körpergewebes hervorgerufen werden.
Als Alternative zur vorstehend beschriebenen Shunt-Regelung wurde die Schaltung 100 daher dahingehend erweitert, dass sie ein Regelsignal zurück an die Energiequelle des magnetischen Wechselfeldes senden kann. Detektiert die Schaltung 100 eine zu hohe Energieaufnahme aus dem magnetischen Wechselfeld, kann mit Hilfe des Regelsignals die Sendeleistung der Energiequelle entsprechend reduziert werden. Ein Beispiel findet sich in Peng Cong et al, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume 44, Issue 12, Seiten 3631 bis 3644 (Dezember 2009).
Eine solche Regelung der Sendeleistung hängt jedoch davon ab, dass das Regelsignal auch tatsächlich von der Energiequelle empfangen wird, wobei verschiedene Faktoren eine Rolle spielen, beispielsweise die Energie, mit der das Regelsignal ausgesendet wird, und/oder der Abstand der Schaltung 100 zur Energiequelle. Mit anderen Worten besteht keine Garantie, dass die abgegebene Sendeleistung auch tatsächlich entsprechend dem Regelsignal angepasst wird. Ferner kann es, selbst wenn der Empfang des Regelsignals sichergestellt wäre, bei mehreren Vorrichtungen, die über das magnetische Wechselfeld mit Energie versorgt werden, zu einer unerwünschten Unterversorgung der anderen Vorrichtungen kommen, wenn eine der Vorrichtungen das Regelsignal aussendet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die genannten Nachteile aus dem Stand der Technik ganz oder zumindest teilweise zu vermeiden. Insbesondere soll eine autarke Schaltung bereitgestellt werden, die möglichst einfach aufgebaut und dazu eingerichtet ist, aus einem magnetischen Wechselfeld in kontrollierter Weise Energie zu entziehen und zu wandeln, ohne dass es zu unerwünschten Beeinträchtigungen der Umgebung der Schaltung – beispielsweise durch zu hohe Wärmeentwicklung – kommen kann. Die Schaltung soll ferner speziell für die sichere, autarke Energieversorgung eines medizinischen Implantats geeignet sein.
Zur Lösung sieht die vorliegende Erfindung eine Schaltung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 vor. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Schaltung umfasst eine Spule mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, einen Gleichrichter mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen, eine Steuerungsvorrichtung und einen Schalter mit einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand.
Der erste Anschluss der Spule ist mit dem ersten Eingang des Gleichrichters verbunden, und der zweite Anschluss der Spule ist mit dem zweiten Eingang des Gleichrichters verbunden. Der Gleichrichter ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einer zwischen den beiden Eingängen anliegenden Wechselspannung, zwischen seinen beiden Ausgängen eine Gleichspannung zu erzeugen. Die Wechselspannung wird durch das die Spule durchsetzende magnetische Wechselfeld hervorgerufen.
Der Schalter ist zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Spule und somit parallel zur Spule angeordnet. Der Schalter ist dazu eingerichtet, bei Empfang eines ersten Steuersignals in den geöffneten Zustand zu treten (bzw. im geöffneten Zustand zu bleiben) und bei Empfang eines zweiten Steuersignals in den geschlossenen Zustand zu treten (bzw. im geschlossenen Zustand zu bleiben).
Die Steuerungsvorrichtung ist mit dem Schalter gekoppelt und dazu eingerichtet, eine von der Stärke des die Spule durchsetzenden magnetischen Wechselfeldes abhängige physikalische Größe zu bestimmen und, in Abhängigkeit von der solchermaßen bestimmten physikalischen Große, das erste oder das zweite Steuersignal an den Schalter zu geben, um den Zustand des Schalters zu definieren.
Besonders bevorzugt ist die vom die Spule durchsetzenden magnetischen Wechselfeld abhängige Größe die vom Gleichrichter erzeugte Gleichspannung (oder eine daraus abgeleitete Größe). Alternativ kann die Größe beispielsweise auch die Amplitude der zwischen den beide Anschlüssen der Spule vom magnetischen Wechselfeld erzeugten Wechselspannung oder der in der Spule induzierte Wechselstrom sein (oder eine daraus abgeleitete Größe). Ebenso kann die Größe die Stärke des magnetischen Wechselfeldes selbst sein (oder eine daraus abgeleitete Größe).
Die erfindungsgemäße Schaltung kann, wenn beispielsweise die Größe die vom Gleichrichter erzeugte Gleichspannung ist und die Gleichspannung zu groß wird, durch Schließen des Schalters für einen bestimmten Zeitraum einen Kurzschluss der Spule bewirken. In der kurzgeschlossenen Spule wird, wenn sie (weiterhin) einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, ein Strom induziert. Der induzierte Strom wiederum erzeugt seinerseits ein Magnetfeld, das dem sich ändernden äußeren Wechselfeld entgegenwirkt. Hierdurch werden also sozusagen die magnetischen Feldlinien aus dem Spulenquerschnitt verdrängt und es wird keine/kaum Energie aus dem äußeren magnetischen Wechselfeld entnommen. Die verringerte Energieaufnahme wiederum überträgt sich in eine verringerte, vom Gleichrichter erzeugte Gleichspannung, ohne dass es einer Shunt-Regelung bedarf, die zu einer ebenso unerwünschten wie unkontrollierten Wärmeabgabe führen würde.
Bevorzugt ist die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet, die von der Steuerungsvorrichtung bestimmte Größe, insbesondere also die vom Gleichrichter erzeugte Gleichspannung, mit einer ersten Schwelle zu vergleichen und bei Unterschreiten der ersten Schwelle das erste Steuersignal an den Schalter zu geben, um zu bewirken, dass der Schalter in den geöffneten Zustand tritt und somit Energie aus dem magnetischen Wechselfeld entnommen wird. Ebenso bevorzugt ist die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet, die von der Steuerungsvorrichtung bestimmte Größe, insbesondere also die vom Gleichrichter erzeugte Gleichspannung, mit einer zweiten Schwelle zu vergleichen und bei Überschreiten der zweiten Schwelle das zweite Steuersignal an den Schalter zu geben, um zu bewirken, dass der Schalter in den geschlossenen Zustand tritt und somit, wie vorstehend erläutert, wenig/keine Energie aus dem Wechselfeld entnommen wird. Hierdurch kann die vom Gleichrichter erzeugte Gleichspannung derart geregelt werden, dass Sie in einem vorbestimmten Bereich liegt, der durch die erste und zweite Schwelle vorgegeben ist.
Bevorzugt ist die erste Schwelle kleiner als die zweite Schwelle. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform entspricht die erste der zweiten Schwelle, so dass die erzeugte Gleichspannung in etwa durch den Wert der ersten/zweiten Schwelle vorgegeben ist.
Besonders bevorzugt wird das zweite Steuersignal synchronisiert mit einer bestimmten Phase der zwischen den beiden Eingängen des Gleichrichters anliegenden Wechselspannung an den Schalter gegeben – beispielsweise synchronisiert mit einer Phase, die einem Nulldurchgang der Wechselspannung entspricht. Hierdurch kann der Schalter in Bezug auf die Phase der Wechselspannung und somit des magnetischen Wechselfeldes, welches die Spule durchsetzt, kontrolliert in den geschlossenen Zustand versetzt werden.
Besonders bevorzugt wird das zweite Steuersignal synchronisiert mit einer ersten Phase der zwischen den beiden Eingängen des Gleichrichters anliegenden Wechselspannung an den Schalter gegeben und nachfolgend das erste Steuersignal synchronisiert mit einer zweiten Phase der zwischen den beiden Eingängen des Gleichrichters anliegenden Wechselspannung an den Schalter gegeben. Hierdurch kann der Schalter in Bezug auf die Phase der Wechselspannung kontrolliert in den geschlossenen Zustand und wieder zurück in den geöffneten Zustand versetzt werden. Der Energieübertrag aus dem magnetischen Wechselfeld wird somit für einen definierten Zeitraum zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase reduziert. Natürlich können das erste/zweite Steuersignal auch in umgekehrter Reihenfolge an den Schalter gegeben werden, um den Schalter für einen definierten Zeitraum im geöffneten (statt im geschlossenen) Zustand zu halten.
Bevorzugt beträgt die Phasendifferenz zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase 180°, also eine Halbwelle. Hierauf ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt.
Bevorzugt weist die Schaltung zur Glättung der von dem Gleichrichter zwischen seinen beiden Ausgängen erzeugten Gleichspannung einen Kondensator zwischen dem ersten und zweiten Ausgang des Gleichrichters auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schalter mindestens einen ersten Transistor. Die Schaltung ist in dieser Ausführungsform bevorzugt dazu eingerichtet, bei Empfang des ersten Steuersignals am Schalter eine erste (Sperr-)Spannung an die Gate-Elektrode des ersten Transistors anzulegen, wodurch der erste Transistor in den geöffneten (Sperr-)Zustand versetzt wird. Ebenso bevorzugt ist die Schaltung dazu eingerichtet, bei Empfang des zweiten Steuersignals am Schalter eine zweite (Durchlass-)Spannung an die Gate-Elektrode des ersten Transistors anzulegen, wodurch der erste Transistor in den geschlossenen (Durchlass-)Zustand versetzt wird.
In einer Ausführungsform ist die Gate-Elektrode des ersten Transistors hierzu unmittelbar mit der Steuerungsvorrichtung zum Empfang des ersten und des zweiten Steuersignals in Form der ersten bzw. zweiten Spannung verbunden.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Schalter einen zweiten Transistor, wobei die Gate-Elektrode des ersten Transistors mit dem Drain-Anschluss des zweiten Transistors und die Gate-Elektrode des zweiten Transistors mit der Steuerungsvorrichtung zum Empfang der Steuersignale in Form geeigneter Spannungen verbunden ist. Bei Empfang des ersten Steuersignals, also bei Anlegen einer geeigneten Sperr-Spannung an die Gate-Elektrode des zweiten Transistors, wird der zweite Transistor in den geöffneten (Sperr-)Zustand versetzt, wodurch die vorstehend genannte erste Spannung an die Gate-Elektrode des ersten Transistors angelegt und somit der erste Transistor in den geöffneten (Sperr-)Zustand versetzt wird. Bei Empfang des zweiten Steuersignals, also bei Anlegen einer geeigneten Durchlass-Spannung an die Gate-Elektrode des zweiten Transistors, wird der zweite Transistor in den geschlossenen (Durchlass-)Zustand versetzt, wodurch die vorstehend genannte zweite Spannung an die Gate-Elektrode des ersten Transistors angelegt und somit der erste Transistor in den geschlossenen (Durchlass-)Zustand versetzt wird.
Bevorzugt weist der erste Transistor hierbei eine Body-Elektrode auf, die mit der Gate-Elektrode des ersten Transistors über einen Widerstand verbunden ist. über diesen Widerstand ist eine Rückkopplung zwischen der Body-Elektrode und der Gate-Elektrode des ersten Transistors möglich Besonders bevorzugt ist der Widerstand durch einen dritten Transistor realisiert.
Bevorzugt ist ferner die Body-Elektrode des ersten Transistors über eine Kapazität mit dem negativen Ausgangspotential der Schaltung gekoppelt. Bevorzugt liegt der Source-Anschluss des zweiten Transistors auf dem negativen Ausgangspotential der Schaltung.
Der erste, zweite und/oder dritte Transistor können jeweils als symmetrischer Transistor ausgebildet sein, beispielsweise als symmetrischer Feldeffektransistor mit isoliertem Gate („IGFET”). Besonders bevorzugt ist der erste Transistor als symmetrischer, isolierter PMOS-Transistor ausgebildet.
Bevorzugt weist die Spule N Windungen zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss auf, der mit einer der Windungen, bevorzugt in der Mitte der Spule, verbunden ist, wobei der dritte Anschluss beim Betrieb der Schaltung auf einem Bezugspotential gehalten ist. Als Bezugspotential kann beispielsweise bei einem medizinischen Implantat das Körperpotential am Ort des Implantats gewählt werden. Besonders bevorzugt sind zusätzlich die beiden Ausgänge des Gleichrichters miteinander über zwei in Reihe liegende Kondensatoren verbunden, wobei ein Punkt zwischen den beiden Kondensatoren mit dem dritten Anschluss der Spule verbunden ist. Hierdurch kann auch dieser Punkt der Schaltung auf das Bezugspotential gesetzt werden, so dass die Schaltung symmetrisch um das Bezugspotential betrieben werden kann. Das Risiko des Auftretens von Kriechströmen aufgrund einer (mittleren) Potentialdifferenz zwischen dem Implantat und dem umliegenden Körpergewebe wird somit verringert.
Zur Erfindung gehört ferner eine Vorrichtung, bevorzugt ein medizinisches Implantat (beispielsweise ein Cochlear-Implantat oder ein Retina-Implantat) das eine erfindungsgemäße Schaltung umfasst, um über die Schaltung mit Energie aus einem magnetischen Wechselfeld versorgt werden zu können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren und der zugehörigen detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dargestellt.
1 stellt eine bekannte Schaltung zur Aufnahme und Wandlung von Energie aus einem magnetischen Wechselfeld dar;
2 stellt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung zur geregelten Aufnahme und Wandlung von Energie aus einem magnetischen Wechselfeld dar;
3 und 4 stellen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schaltung mit möglichen Implementierungen des Schalters dar.
5 und 6 stellen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schaltung dar, die um ein Bezugspotential herum betrieben werden können.
In 2 ist schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung 10 gezeigt. Die Schaltung 10 umfasst eine Spule 12 mit einem ersten Anschluss 14, einem zweiten Anschluss 16 und N Windungen zwischen den beiden Anschlüssen 14, 16. Die Schaltung 10 umfasst ferner einen in 2 im geöffneten Zustand dargestellten Schalter 18. Der Schalter 18 ist zwischen dem ersten Anschluss 14 und dem zweiten Anschluss 16 der Spule 12 angeordnet und liegt somit parallel zu den Windungen der Spule 12.
Die Schaltung 10 umfasst ferner einen Gleichrichter 20 mit zwei Eingängen 22, 24 und zwei Ausgängen 26, 28, wobei der erste Anschluss 14 der Spule 12 mit dem ersten Eingang 22 des Gleichrichters 20 und der zweite Anschluss 16 der Spule 12 mit dem zweiten Eingang 24 des Gleichrichters 20 verbunden ist. Wie in 2 angedeutet, ist der Gleichrichter 20 dazu eingerichtet, zwischen seinen beiden Ausgängen 26, 28 eine Gleichspannung U_out zu erzeugen, wenn zwischen den Eingängen 22, 24 eine Wechselspannung anliegt, die aufgrund eines magnetischen Wechselfeldes, welches die Spule 12 durchsetzt, auftritt. Die erzeugte Gleichspannung U_out wird mit Hilfe des zwischen den Ausgängen 26, 28 angeordneten Kondensators 30 geglättet.
Die erzeugte Gleichspannung U_out wird von einer Steuerungsvorrichtung 32 detektiert und überwacht, die mit dem Schalter 18, wie in 2 angedeutet, gekoppelt ist. Die Steuerungsvorrichtung 32 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der detektierten Spannung ein Steuersignal zur Betätigung des Schalters 18 zu erzeugen, um die erzeugte Gleichspannung in einem bestimmten Bereich oder bei einem bestimmten Wert zu halten.
Alternativ zur überwachten Gleichspannung könnte beispielsweise auch die Amplitude der eingangsseitigen Wechselspannung oder sogar unmittelbar die Stärke des magnetischen Wechselfeldes von der Steuerungsvorrichtung 32 detektiert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine von der Stärke des externen magnetischen Wechselfeldes am Ort der Spule 12 abhängige physikalische Größe überwacht und, in Abhängigkeit von der überwachten Größe, die vom Gleichrichter 20 erzeugte Gleichspannung geregelt. Darin, dass nachfolgend nur auf die Gleichspannung U_out als „von der Stärke des magnetischen Wechselfeldes abhängige Größe” abgestellt wird, ist somit keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung zu sehen.
Wenn die von der Steuerungsvorrichtung 32 detektierte Gleichspannung U_out unter einer ersten Schwelle liegt, gibt die Steuerungsvorrichtung 32 ein erstes Steuersignal an den Schalter 18, wodurch der Schalter 18 geöffnet wird/bleibt. An den Eingängen 22, 24 des Gleichrichters 20 wird somit (weiterhin) eine Wechselspannung erzeugt, die vom Gleichrichter 20 in die Gleichspannung U_out gewandelt wird.
Steigt die Stärke des magnetischen Wechselfeldes am Ort der Spule 12 und detektiert die Steuerungsvorrichtung 32 eine Gleichspannung U_out, die oberhalb einer zweiten Schwelle liegt, gibt die Steuerungsvorrichtung 32 ein zweites Steuersignal an den Schalter 18, wodurch der Schalter 18 geschlossen wird. Die beiden Anschlüsse 14, 16 der Spule 12 werden also durch das Schließen des Schalters 18 kurzgeschlossen, und die Energieaufnahme aus dem magnetischen Wechselfeld wird, wie vorstehend erläutert, stark reduziert. Somit sinkt die an den Eingängen 22, 24 des Gleichrichters 20 anliegende Wechselspannung und daher die zwischen den Ausgängen 26, 28 erzeugte Gleichspannung U_out bis die erste Schwelle unterschritten und der Schalter 18 wieder geöffnet wird.
Die Werte für die erste und die zweite Schwelle können einstellbar oder voreingestellt sein. Die erste Schwelle definiert, im Vergleich zur zweiten Schwelle, ein niedrigeres oder im Wesentlichen gleiches Spannungsniveau.
Durch diese Regelung wird die erzeugte Gleichspannung U_out in einem vorbestimmten Bereich zwischen der ersten (unteren) und zweiten (oberen) Schwelle gehalten. Die beiden Schwellen werden so gewählt, dass die Schaltung 10 bei geeigneter Stärke des eingestrahlten, die Spule 12 durchsetzenden Wechselfeldes eine ausreichende, aber nicht zu hohe Versorgungsspannung U_out bereitstellt, die beispielsweise für den sicheren Betrieb eines medizinischen Implantats verwendet werden kann.
In einer Ausführungsform wird das zweite Steuersignal zum Schließen des Schalters 18 synchronisiert mit einer bestimmten, ersten Phase der zwischen den beiden Eingängen 22, 24 des Gleichrichters 20 anliegenden Wechselspannung an den Schalter 18 gegeben, wobei die erste Phase einem Nulldurchgang der Wechselspannung entspricht (bei einer reinen Sinuswelle also 0° oder 180°). Der Schalter 18 wird somit beim Nulldurchgang der Wechselspannung in den geschlossenen Zustand versetzt.
Nachfolgend wird das erste Steuersignal zum Öffnen des Schalters 18 synchronisiert mit einer zweiten Phase, beispielsweise dem nächsten Nulldurchgang der Wechselspannung der zwischen den beiden Eingängen 22, 24 des Gleichrichters 20 anliegenden Wechselspannung – an den Schalter gegeben (hier also 180° oder 0°). Der Schalter 18 wird somit nach einer Halbwelle der Wechselspannung kontrolliert zurück in den geöffneten Zustand versetzt.
Um den Energieübertrag aus dem magnetischen Wechselfeld zu kontrollieren und eine geeignete Gleichspannung U_out bereitzustellen, entscheidet die Steuerungsvorrichtung 32 in Abhängigkeit von der momentan detektierten Gleichspannung U_out darüber, wie häufig der Energieübertrag für eine Halbwelle unterbrochen werden soll. Beispielsweise kann in jeder zweiten Periode der Wechselspannung der Energieübertrag in dieser Weise unterbrochen werden. Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung 32 zur Regelung der Gleichspannung die Differenz zwischen der ersten und zweiten Phase strecken oder kürzen, um einen längeren bzw. kürzeren „Kurzschluss”-Zeitraum zu bewirken. Beispielsweise kann die Differenz auch einer ganzen oder sogar mehreren Wellenlängen der Wechselspannung entsprechen.
In 3 ist eine Ausführungform der Schaltung 10 gezeigt, wobei der Schalter 18 mit Hilfe eines ersten und eines zweiten Transistors 19, 40 realisiert ist. Wie in 3 dargestellt, ist die Steuerungsvorrichtung 32 mit der Gate-Elektrode des zweiten Transistors 40 verbunden, dessen Drain-Elektrode wiederum mit der Gate-Elektrode des ersten Transistors 19 verbunden ist. Die Source-Elektrode des zweiten Transistors 40 liegt, wie in 3 durch das Dreiecks-Symbol angedeutet, auf dem negativen Ausgangspotential der Schaltung 10. Der Source-Anschluss des ersten Transistors 19 ist mit dem ersten Anschluss 14 der Spule 12 verbunden, wohingegen der Drain-Anschluss des ersten Transistors 19 mit dem zweiten Anschluss 16 der Spule 12 verbunden ist.
Die Steuervorrichtung 32 kann in dieser Ausführungsform das erste oder das zweite Steuersignal in Form geeigneter Spannungen an die Gate-Elektrode des zweiten Transistors 40 geben. Bei Empfang des ersten Steuersignals (in Form einer Sperr-Spannung) wird der zweite Transistor 40 in den geöffneten (Sperr-)Zustand versetzt, wodurch eine erste (Sperr-)Spannung an die Gate-Elektrode des ersten Transistors 19 angelegt wird. Die erste Spannung ist so eingestellt, dass der erste Transistor 19 in den geöffneten (Sperr-)Zustand versetzt wird.
Bei Empfang des zweiten Steuersignals (in Form einer Durchlass-Spannung) wird der zweite Transistor 40 in den geschlossenen (Durchlass-)Zustand versetzt, wodurch eine zweite Spannung an die Gate-Elektrode des ersten Transistors 19 angelegt wird. Die zweite Spannung ist so eingestellt, dass der erste Transistor 19 in den geschlossenen (Durchlass-)Zustand versetzt wird.
Hierzu weist der erste Transistor 19, der in dieser Ausführungsform als symmetrischer, isolierter PMOS-Transistor ausgebildet ist, eine Body-Elektrode auf, die mit der Gate-Elektrode des ersten Transistors 19 über einen Widerstand 50 verbunden ist. Zwischen der Source- und Body-Elektrode sowie der Drain- und Body-Elektrode des ersten Transistors 19 besteht jeweils, wie in 3 dargestellt, eine parasitäre Diode 42 bzw. 44. Ferner ist die Body-Elektrode des ersten Transistors 19, wie in 3 durch das Dreiecks-Symbol angedeutet, über eine parasitäre Kapazität 46 mit dem negativen Ausgangspotential der Schaltung 10 gekoppelt.
Über den Widerstand 50 ist somit eine Rückkopplung zwischen der Body-Elektrode und der Gate-Elektrode des ersten Transistors 19 möglich, so dass das Gate des ersten Transistors 19, wenn der zweite Transistor 40 im geöffneten Zustand ist, auf einem positiven Hilfspotential liegt. Wenn jedoch der zweite Transistor 40 im geschlossenen Zustand ist, liegt die Gate-Elektrode des ersten Transistors 19 auf dem negativen Ausgangspotential der Schaltung 10.
Wie in 4 dargestellt, kann der Widerstand 50 mit Hilfe eines dritten Transistors 51 realisiert sein, dessen Gate-Elektrode auf dem negativen Ausgangspotential der Schaltung 10 liegt. Die Source- und die Body-Elektrode des dritten Transistors sind mit der Body-Elektrode des ersten Transistors 19 gekoppelt, wohingegen die Drain-Elektrode des dritten Transistors 51 mit der Gate-Elektrode des ersten Transistors 19 und der Drain-Elektrode des zweiten Transistors 40 gekoppelt ist.
In den 5 und 6 sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltung 10 gezeigt, bei denen die Schaltung symmetrisch um ein Bezugpotential arbeitet.
Die in 5 dargestellte Schaltung 10 entspricht im Wesentlichen der in 3 dargestellten Ausführungsform. Jedoch weist die in 5 gezeigte Spule 12 einen zusätzlichen, dritten Anschluss 15 auf, der mit einer Windung in der Mitte der Spule 12 verbunden ist. Ferner sind zwischen den beiden Ausgängen 26 und 28 des Gleichrichters 20 zwei Kondensatoren 30, 31 in Reihe geschaltet, wobei zwischen den beiden Kondensatoren 30, 31 ein Bezugspunkt 60 liegt. Bei der in 5 dargestellten Schaltung 10 liegt sowohl der dritte Anschluss 15 der Spule 12 als auch der Bezugspunkt 60 auf einem Bezugspotential, so dass die Schaltung 10 symmetrisch um dieses Bezugspotential arbeiten kann. Beim Einsatz der Schaltung 10 zur Versorgung eines medizinischen Implantats im Körper eines Menschen kann somit beispielsweise dadurch, dass man als Bezugspotential das Potential des umliegenden Körpers wählt, das Auftreten von unerwünschten Kriechströmen vermieden werden. Beispielhaft ist in 5 das Bezugspotential als „0 V” angedeutet.
Die in 6 dargestellte Schaltung 10 entspricht im Wesentlichen der in 4 dargestellten Ausführungsform der Schaltung 10, die jedoch, ebenso wie die in 5 dargestellte Ausführungsform, symmetrisch um ein Bezugspotential betrieben werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Realisierung des Schalters 18 mit Transistoren beschränkt. Auch andere, dem Fachmann bekannte Schaltelemente können verwendet werden, die bei Empfang eines geeigneten ersten Steuersignals öffnen und bei Empfang eines geeigneten zweiten Steuersignals schließen. Ferner sind die Steuersignale nicht auf elektromagnetische Signale beschränkt, sondern kennen auch akustische oder sonstige Signale umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ortmanns et al, Solid-State Circuits Conference (2007), ISSCC 2007, Digest of Technical Papers, Seiten 152 und 153 [0003]
Peng Cong et al, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume 44, Issue 12, Seiten 3631 bis 3644 (Dezember 2009) [0005]

Claims

Schaltung (10), welche umfasst eine Spule (12) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss (14, 16); einen Gleichrichter (20) mit zwei Eingängen (22, 24) und zwei Ausgängen (26, 28), wobei der erste Anschluss (14) der Spule (12) mit dem ersten Eingang (22) des Gleichrichters (20) und der zweite Anschluss (16) der Spule (12) mit dem zweiten Eingang (24) des Gleichrichters (20) verbunden ist und wobei der Gleichrichter (20) dazu eingerichtet ist, zwischen seinen beiden Ausgängen (26, 28) eine Gleichspannung zu erzeugen, wenn die Spule (12) von einem magnetischen Wechselfeld durchsetzt und somit zwischen den beiden Eingängen (22, 24) des Gleichrichters eine Wechselspannung erzeugt wird, einen Schalter (18) mit einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand, wobei der Schalter (18) zwischen dem ersten Anschluss (14) und dem zweiten Anschluss (16) der Spule (12) und somit parallel zur Spule (12) angeordnet und ferner dazu eingerichtet ist, bei Empfang eines ersten Steuersignals in den geöffneten Zustand und bei Empfang eines zweiten Steuersignals in den geschlossenen Zustand zu treten, eine Steuerungsvorrichtung (32), die mit dem Schalter (18) gekoppelt und dazu eingerichtet ist, eine von der Stärke des die Spule (12) durchsetzenden magnetischen Wechselfeldes abhängige Größe zu bestimmen und, in Abhängigkeit von der bestimmten Größe, das erste oder das zweite Steuersignal an den Schalter (18) zu geben.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsvorrichtung (32) dazu eingerichtet ist, die bestimmte Größe mit einer ersten Schwelle zu vergleichen und bei Unterschreiten der ersten Schwelle das erste Steuersignal an den Schalter (18) zu geben.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerungsvorrichtung (32) dazu eingerichtet ist, die bestimmte Größe mit einer zweiten Schwelle zu vergleichen und bei Überschreiten der zweiten Schwelle das zweite Steuersignal an den Schalter (18) zu geben.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von der Stärke des die Spule (12) durchsetzenden magnetischen Wechselfeldes abhängige Größe die vom Gleichrichter erzeugte Gleichspannung ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Steuersignal synchronisiert mit einer ersten Phase der Wechselspannung an den Schalter (18) gegeben wird.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei das erste Steuersignal synchronisiert mit einer zweiten Phase der Wechselspannung an den Schalter (18) gegeben wird.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schalter (18) einen ersten Transistor (19) umfasst, dessen Source-Anschluss mit dem ersten Anschluss (14) der Spule (12) und dessen Drain-Anschluss mit dem zweiten Anschluss (16) der Spule (12) verbunden ist, wobei ferner die Schaltung (10) dazu eingerichtet ist, bei Empfang des ersten Steuersignals am Schalter (18) eine Sperr-Spannung an die Gate-Elektrode des ersten Transistors (19) anzulegen und bei Empfang des zweiten Steuersignals am Schalter (18) eine Durchlass-Spannung an die Gate-Elektrode des ersten Transistors (19) anzulegen.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei der Schalter ferner einen zweiten Transistor (40) umfasst und wobei die Gate-Elektrode des ersten Transistors (19) mit dem Drain-Anschluss des zweiten Transistors (40) und die Gate-Elektrode des zweiten Transistors (40) mit der Steuerungsvorrichtung (32) zum Empfang des ersten und zweiten Steuersignals verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 8, wobei der erste Transistor (19) eine Body-Elektrode aufweist, die mit der Gate-Elektrode des ersten Transistors (19) über einen Widerstand (50; 51), insbesondere über einen dritten Transistor (51), gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Body-Elektrode des ersten Transistors (19) über eine Kapazität (46) mit dem negativen Ausgangspotential der Schaltung (10) gekoppelt ist und der Source-Anschluss des zweiten Transistors (40) auf dem negativen Ausgangspotential der Schaltung (10) liegt.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spule (12) N Windungen zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss (14, 16) sowie einen dritten Anschluss (15) aufweist, der mit einer der N Windungen verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 11, wobei die beiden Ausgänge (26, 28) des Gleichrichters (20) über zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren (30, 31) miteinander verbunden sind und wobei ein Punkt zwischen den beiden Kondensatoren (30, 31) mit dem dritten Anschluss (15) gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 12, wobei der dritte Anschluss (15) und der Punkt zwischen den beiden Kondensatoren (30, 31) auf einem gemeinsamen Bezugspotential liegen.
Vorrichtung, insbesondere medizinische Implantatvorrichtung, welche eine Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Versorgung der Vorrichtung mit Energie aus einem magnetischen Wechselfeld umfasst.