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Die Erfindung betrifft eine Schnittstellen-Schaltung für ein energieautarkes System, insbesondere Mikrosystem, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
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Herkömmliche energieautarke Mikrosysteme umfassen mindestens einen Mikrogenerator, welcher in der Umgebung latent vorhandene Energie, wie beispielsweise Wärme, Licht oder mechanische Vibrationen, in elektrische Energie umwandelt. Insbesondere die Umwandlung mechanischer Vibrationsenergie mit Hilfe vor Piezogeneratoren hat in der Praxis Bedeutung erlangt. Piezogeneratoren können aber nur Leistungen im Mikro- bis Milliwatt-Bereich bereitstellen, so dass das Bestreben besteht, Leistung bzw. Energie aus dem Mikrogenerator mit Hilfe einer sogenannten Schnittstellen-Schaltung (Interface-Schaltung) möglichst (energie-)effizient zu extrahieren.
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Außerdem spielen im Bereich der Mikrogeneratoren Gewichts-, Größen- und Kostenaspekte eine wichtige Rolle, so dass eine möglichst weitgehende Integration mit möglichst wenigen externen, das heißt diskreten Bauelementen angestrebt wird.
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1 zeigt ein energieautarkes System, wie es aus
Shengwen Xu, Khai D. T. Ngo, Toshikazu Nishida, Gyo-Bum Chung, ans Attma Sharma, "Low frequency pulsed resonant converter for energy harvesting", IEEE Transactions on Power Electronics, 22(1); S. 63–68, Januar 2007, bekannt ist.
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Ein als Piezogenerator ausgeführter Mikrogenerator 1 ist in Form eines Ersatzschaltbildes durch eine Stromquelle 2 und eine Ausgangskapazität C0 dargestellt. An den Mikrogenerator 1 angeschlossen ist eine Schnittstellen-Schaltung 3, welche eine an sich bekannte und daher nur in Form eines Schaltungsblockes 4 dargestellte Gleichrichterschaltung, eine Induktivität L, zwei steuerbare Schaltelemente S1 und S2, sowie einen Pufferkondensator Cb umfasst. Die Schnittstellen-Schaltung 3 dient zur Extraktion von Energie aus dem Mikrogenerator 1 und zur Energieübertragung an mindestens einen elektrischen Verbraucher (elektrische Last) RL.
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Geht man in erster Näherung von einer sinusförmigen Anregung des Mikrogenerators 1 aus (vgl. 2), ergibt sich eine Auslenkung z(t) des Mikrogenerators 1 über der Zeit t zu z(t) = zm·sin(ωt) (1) mit
- zm
- Amplitude der Auslenkung/Anregung
- w
- Kreisfrequenz der Auslenkung/Anregung
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Eine derartige Anregung führt zu einem Generatorstrom ig(t) über der Zeit t (vgl. 3) von ig(t) = Ig,m·cos(ωt) (2) mit
- Ig,m
- Amplitude des Generatorstromes
- w
- Kreisfrequenz des Generatorstromes (= Kreisfrequenz der Auslenkung/Anregung)
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Die Amplitude Ig,m des Ausgangsstromes des Mikrogenerators 1 bestimmt sich dabei nach Ig,m = α·zm·ω (3) mit
- a
- Umwandlungsfaktor (force factor)
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Unter Berücksichtigung der Ausgangskapazität Co ergibt sich daraus eine Open-Circuit-Spannung V
OC(t) des Mikrogenerators
1 über der Zeit zu
VOC(t) = Vm·sin(ωt) (4) wobei sich die Amplitude V
m der Open-Circuit-Spannung ergibt aus
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Mit dem Begriff Open-Circuit-Spannung ist dabei diejenige Spannung bezeichnet, welche sich am Ausgang des Mikrogenerators 1 ohne Anschluss der Schnittstellen-Schaltung 3 ergibt.
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Die für die Schnittstellen-Schaltung 3 gewählte Verschaltung bewirkt eine Verdopplung der am Eingang der Schaltung anliegenden Spannungsamplitude. Das Verbinden der Schnittstellen-Schaltung 3 mit dem Mikrogenerator 1 führt somit am Ausgang der Schnittstellen-Schaltung 3 zu einer Verdopplung der Open-Circuit-Spannung des Mikrogenerators 1 von Vm auf 2Vm (vgl. 4).
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Obwohl Mikrogeneratoren und insbesondere Piezogeneratoren nur kleine Leistungen bereitstellen, können unter bestimmten Bedingungen dennoch Spannungswerte auftreten, welche im Fall der integrierten Ausführung der Schnittstellen-Schaltung über der maximal zulässigen Spannung der verwendeten Halbleiter-Technologie, also z. B. der CMOS-(Complementary Metal Oxide Semiconductor-)Technologie, liegen. Um eine Schädigung der Schaltung zu vermeiden, müssen daher ggf. Maßnahmen zur Spannungsbegrenzung getroffen werden.
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Beispielhaft sei angenommen, dass die in 1 dargestellte Schaltung in CMOS-Technologie aufgebaut sei und die dafür maximal zulässige Spannung einen Wert von VCMOS,max hat. Um dauerhafte Beschädigungen der Schaltung zu vermeiden, muss die Amplitude Vm der Open-Circuit-Spannung des Mikrogenerators 1 derart begrenzt werden, dass auch die oben erwähnte Verdopplung der Open-Circuit-Spannung des Mikrogenerators 1 von Vm auf 2Vm durch die Schnittstellen-Schaltung 3 nicht zu einem Überschreiten von VCMOS,max führt.
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Es muss also gelten: VCMOS,max = 2·Vm (6)
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Dies kann im einfachsten Fall durch eine zusätzliche Eingangskapazität C
1 erreicht werden, welche am Eingang der Schnittstellen-Schaltung
3 parallel zur Ausgangskapazität Co des Mikrogenerators
1 geschaltet wird, wobei jedoch zu beachten ist, dass dieses ohne weitere Maßnahmen dazu führt, dass sowohl die durch den Generator zur Verfügung gestellte Leistung als auch die extrahierte Leistung reduziert wird. Es ergibt sich:
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Damit kann die mit Hilfe der Schnittstelle-Schaltung
3 gemäß
1 maximal extrahierbare Leistung P
out berechnet werden, indem man die Energie der voll geladenen Gesamtkapazität C
Y durch die halbe Periodendauer teilt. Die maximal extrahierbare Leistung P
out ergibt sich damit zu
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schnittstellen-Schaltung für ein energieautarkes System, insbesondere Mikrosystem, und ein Verfahren zu deren Betrieb zu schaffen, welche bei geringem Platzbedarf, geringem Gewicht und mit geringem Kostenaufwand eine möglichst effiziente Leistungsextraktion aus einem Generator, insbesondere einem Mikrogenerator, ermöglichen.
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Die erste Teilaufgabe wird durch eine Schnittstellen-Schaltung für ein energieautarkes System, insbesondere Mikrosystem, zur Extraktion von Energie aus einem Generator, insbesondere Mikrogenerator, und zur Energieübertragung an mindestens einen elektrischen Verbraucher gelöst, wobei die Schnittstellenschaltung ein, insbesondere hinsichtlich Amplitude und/oder zeitlichem Verlauf, frei konfigurierbares Spannungspotenzial zur Verfügung stellt.
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Generatoren von energieautarken Systemen, wie zum Beispiel Piezogeneratoren, wirken wie Stromquellen. Die Erfindung basiert auf der Grundidee, die aus dem Generator extrahierbare Leistung dadurch zu maximieren, dass der als Stromquelle wirkende Generator ”gegen eine höhere Spannung arbeitet”. Dieses wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die interne Beschaltung der Schnittstellen-Schaltung derart ausgeführt ist, dass sie ein frei konfigurierbares, zumindest aber ein konstant hohes Spannungspotenzial zur Verfügung stellt.
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Eine mögliche Ausgestaltung einer derartigen Schnittstellen-Schaltung sieht einen Steuerzweig vor, der eine Reihenschaltung eines ersten steuerbaren Schaltelements und einer Induktivität umfasst, sowie einen parallel zu dem Steuerzweig geschalteten Stromrichterzweig zur Steuerung der Stromrichtung.
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Die zweite Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb der oben genannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schnittstellen-Schaltung für ein energieautarkes System, wobei das erste steuerbare Schaltelement bei einem Nulldurchgang des Generatorstromes geschlossen wird und nach einer halben Resonanzperiode eines durch die Induktivität und eine Ausgangskapazität des Generators oder durch die Induktivität und eine Parallelschaltung der Ausgangskapazität des Generators mit einer Eingangskapazität der Schnittstellen-Schaltung gebildeten Schwingkreises wieder geöffnet wird.
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Dabei geht man von der Grundidee aus, parallel zum Eingang der Schnittstellen-Schaltung eine zuschaltbare Induktivität vorzusehen, welche bei geschlossenem erstem Schaltelement zusammen mit einer Ausgangskapazität des Generators einen Schwingkreis bildet. Wird das erste steuerbare Schaltelement bei einem Nulldurchgang des Generatorstroms geschlossen, so wechselt eine Ausgangsspannung der Schnittstellen-Schaltung von einem positiven Amplitudenwert innerhalb einer halben Resonanzperiode des Schwingkreises auf seinen negativen Amplitudenwert und umgekehrt. Vorteilhaft ist die Induktivität dabei derart dimensioniert, dass die Kreisfrequenz des Schwingkreises um ein Vielfaches kleiner ist als die Kreisfrequenz eines Generatorstromes, so dass der Vorzeichenwechsel in Bezug auf die Kreisfrequenz des Generatorstromes sprunghaft erfolgt. Damit ergibt sich eine näherungsweise rechteckförmige Ausgangsspannung der Schnittstellen-Schaltung. Da Schwingkreise grundsätzlich verlustfrei arbeiten, ergibt sich dabei im Idealfall, das heißt unter Vernachlässigung des seriellen Widerstandes des ersten Schaltelementes eine verlustfreie Spannungsumkehr. Die auf diese Weise erreichte Anpassung der Ausgangsspannung der Schnittstellen-Schaltung führt letztendlich aber zu einer im Vergleich zum Stand der Technik effizienteren Leistungsextraktion und damit zu einer erhöhten Leistungsbereitstellung, was im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels noch detailliert erläutert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in der Schnittstellen-Schaltung parallel zu dem Steuerzweig eine Eingangskapazität vorgesehen, welche zur Begrenzung der Amplitude der Open-Circuit-Spannung des Generators dient.
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Obwohl Mikrogeneratoren und insbesondere Piezogeneratoren nur kleine Leistungen bereitstellen, können unter bestimmten Bedingungen dennoch Spannungen auftreten, welche über der maximal zulässigen Spannung der verwendeten Technologie, wie z. B. der CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Technolgie, liegen. Um eine Schädigung der Schaltung zu vermeiden, müssen daher ggf. Maßnahmen zur Spannungsbegrenzung getroffen werden. Dies wird im einfachsten Fall durch eine Eingangskapazität erreicht, welche am Eingang der Schnittstellen-Schaltung parallel zur Ausgangskapazität des Generators geschaltet wird. In diesem Fall wird der Schwingkreis durch die Induktivität und die Parallelschaltung der Ausgangskapazität des Generators mit der Eingangskapazität der Schnittstellen-Schaltung gebildet.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Stromrichterzweig eine Brückenschaltung, vorzugsweise aus zweiten steuerbaren Schaltelementen, umfasst. Der Stromrichterzweig dient im Wesentlichen dazu, eine gewünschte Richtung des Stromflusses vorzugeben und dabei insbesondere auch einen Rückfluss des Stromes in die Schnittstellen-Schaltung zu verhindern. Dies kann zum Beispiel durch eine Brückenschaltung erreicht werden. Werden dabei, z. B. anstelle von üblicher Weise eingesetzten Dioden, steuerbare Schaltelemente verwendet, welche über eine zugeordnete Steuereinheit geeignet angesteuert werden, so fällt an diesen Schaltelementen im geschlossenen Zustand im Idealfall keine Spannung ab, so dass die Effektivität der Leistungsextraktion durch den Stromrichterzweig nicht negativ beeinflusst wird.
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Parallel zu dem zweiten Steuerzweig kann ein Energiespeicher, insbesondere ein Pufferkondensator oder auch ein Akkumulator, geschaltet sein. Dieser Energiespeicher kann aber auch separat von der Schnittstellen-Schaltung realisiert sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Ausführungsbeispielen, welche in folgenden anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines energieautarken Mikrosystems nach dem Stand der Technik,
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2 eine grafische Darstellung einer zeitabhängigen Auslenkung eines Piezogenerators in einem Mikrosystem gemäß 1,
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3 eine grafische Darstellung eines zeitabhängigen Generatorstromes in einem Mikrosystem gemäß 1,
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4 eine grafische Darstellung einer zeitabhängigen Ausgangsspannung einer Schnittstellen-Schaltung in einem Mikrosystem gemäß 1,
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5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen energieautarken Mikrosystems,
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6 eine grafische Darstellung der zeitabhängigen Auslenkung eines Piezogenerators in einem Mikrosystem gemäß 5,
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7 eine grafische Darstellung des zeitabhängigen Generatorstromes in einem Mikrosystem gemäß 5,
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8 eine grafische Darstellung der zeitabhängigen Ausgangsspannung einer Schnittstellen-Schaltung in einem Mikrosystem gemäß 5.
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Das in 5 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Mikrosystem umfasst einen aus dem Stand der Technik bekannten Mikrogenerator 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie und eine daran angeschlossene, erfindungsgemäß ausgeführte Schnittstellen-Schaltung 10 zur Extraktion von Energie aus dem Mikrogenerator 1 und zur Energieübertragung an mindestens einen elektrischen Verbraucher RL. Die Schnittstellen-Schaltung 10 weist dabei einen parallel zum Eingang geschalteten Steuerzweig 11 und einen parallel zu dem Steuerzweig 11 geschalteten Stromrichterzweig 12 zur Steuerung der Stromrichtung auf. Der Steuerzweig 11 umfasst eine Reihenschaltung eines ersten steuerbaren Schaltelements S11 und einer Induktivität L11. Der Stromrichterzweig 12 umfasst eine Brückenschaltung aus vier steuerbaren Schaltelementen S12, S13, S14 und S15. Parallel zu dem Steuerzweig 11 ist eine Eingangskapazität C11 zur Begrenzung der Amplitude der Open-Circuit-Spannung des Mikrogenerators 1 geschaltet und parallel zu dem Stromrichterzweig 12 ist ein Energiespeicher in Form eines Pufferkondensators Cb geschaltet.
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Alle Schaltelemente S11 bis S15 sowie eine nicht dargestellte Steuereinheit zum Steuern der Schaltelemente können dabei als integrierter Schaltkreis, z. B. in CMOS-Technologie, realisiert werden. Lediglich die Kapazitäten C11 und Cb sowie die Induktivität L11 müssen extern (diskret) realisiert werden, so dass ein hoher Integrationsgrad erreicht wird.
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Die Amplitude der Open-Circuit-Spannung des Mikrogenerators 1 wird wesentlich von der Ausgangskapazität C0 des Mikrogenerators 1 bestimmt. Auch wenn die erfindungsgemäße Schnittstellen-Schaltung 10, wie noch gezeigt wird, zu keiner Verdopplung der am Eingang der Schaltung anliegenden Spannungsamplitude führt, kann die Open-Circuit-Spannung des Mikrogenerators dennoch Spannungsspitzen aufweisen, welche in einem Bereich oberhalb einer technologiebedingt zulässigen Maximalspannung liegen. Zur Begrenzung der Open-Circuit-Spannung ist daher die zusätzliche Eingangskapazität C11 vorgesehen. Wird die Eingangskapazität C11 der Schnittstellen-Schaltung 10 zur Ausgangskapazität C0 des Generators 1 parallel geschaltet, so verringert sich die Amplitude der Open-Circuit-Spannung um das (C0 + C11)/C0-fache, wodurch schädigende Spannungsspitzen vermieden werden können.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schnittstellen-Schaltung 10 wird im Folgenden anhand der 6–8 näher erläutert.
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Man geht dabei in erster Näherung wiederum von einer sinusförmigen Anregung z(t) des Mikrogenerators 1 (vgl. 6) aus. Zu Beginn einer ersten positiven Halbwelle der Anregung z(t) sind die Schaltelemente S10, S13 und S14 geöffnet und die Schaltelemente S12 und S15 geschlossen. Es sei angenommen, dass die Eingangskapazität C11 derart dimensioniert ist, dass sich eine Amplitude einer Ausgangsspannung VDC der Schnittstellen-Schaltung 10, welche gleich der Amplitude Vm der Open-Circuit-Spannung des Generators 1 ist, welche dem bei CMOS maximal zulässigen Spannungswert VCMOS,max entspricht.
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Außerdem wird dahingehend von einem idealen System ausgegangen, dass der Spannungsabfall an den Kapazitäten C0 und C11 am Ende einer positiven Halbwelle des Generatorstroms ig(t) bei geöffnetem ersten Schaltelement S10 gleich der Ausgangsspannung VDC der Schnittstellen-Schaltung 10 ist. In diesem Fall kann der Strom über die geschlossenen Schaltelemente S12 und S15 direkt zum Pufferkondensator Cb bzw. zum Verbraucher RL fließen.
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Beim Nulldurchgang des Generatorstroms ig(t) wird das erste Schaltelement S11 über die nicht dargestellte Steuereinheit geschlossen, so dass die Induktivität L10 zusammen mit der Parallelschaltung der Ausgangskapazität Co des Mikrogenerators 1 mit der Eingangskapazität C11 der Schnittstellen-Schaltung 10 einen Schwingkreis bildet. Dabei ist die Induktivität L11 vorteilhaft derart dimensioniert, dass die Kreisfrequenz wLC des Schwingkreises um ein Vielfaches kleiner ist als die Kreisfrequenz w des Generatorstromes ig(t).
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Dadurch ändert die Ausgangsspannung VDC der Schnittstellen-Schaltung 10 sprunghaft ihr Vorzeichen (vgl. 8). Sobald die Ausgangsspannung VDC das negative Maximum –Vm erreicht hat, also nach einer halben Resonanzperiode TLC des Schwingkreises, wird das erste Schaltelement S10 wieder geöffnet. Bei Vernachlässigung des seriellen Widerstandes des ersten Schaltelementes S11 erfolgt diese Spannungsumkehr verlustfrei.
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Zeitgleich mit dem Schließen des ersten steuerbaren Schaltelementes S11 werden die Schaltelemente S12 und S15 geöffnet und die Schaltelemente S13 und S14 über durch entsprechende Ansteuerung geschlossen. Der Generatorstrom ig(t) fließt dann in dieser Halbperiode über die Schaltelemente S13 und S14 in ”negativer” Richtung, wobei aber aus Sicht des Stromes weiterhin einen konstante positive Ausgangsspannung VDC anliegt. In Folge dessen kann die gesamte Ladung an den Pufferkondensator Cb oder den Verbraucher RL abgegeben werden.
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Die maximal extrahierbare Leistung P
' / out des erfindungsgemäßen Systems ergibt sich damit zu
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In Zusammenschau mit Gleichung (9) ergibt sich
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Vergleicht man die Gleichungen (7) und (9) und geht man davon aus dass die Amplitude zm der Auslenkung/Anregung und somit die Amplitude Ig,m des Generatorstromes gleich bleibt, so ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Verschaltung der Schnittstellenschaltungen 3 und 10: Cγ = 2Cx (13)
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Setzt man die Gleichungen (9) und (13) in Gleichung (8) ein, so ergibt sich für die maximal extrahierbare Leistung P
out für ein System nach dem Stand der Technik
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Ein Vergleich der Gleichungen (12) und (14) zeigt, dass die erfindungsgemäße Schnittstellenschaltung 10 die Extraktion einer doppelt so hohen Leistung erlaubt, als die aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung, was dadurch bedingt ist, dass die Stromquelle bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Schnittstellen-Schaltung sozusagen gegen eine höhere Spannung arbeitet.
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Bei den Berechnungen wurde stets von einer konstanten Amplitude der Auslenkung/Anregung ausgegangen, was aber in vielen Anwendungsfällen, wie z. B. beim Einsatz zur energieautarken Drucküberwachung in Fahrzeugreifen, zumindest annähernd gegeben ist.
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Die Erfindung wurde anhand von Mikrosystemen erläutert ist aber grundsätzlich auf beliebige energieautarke Systeme mit einem Generator und einer Schnittstellen-Schaltung anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Shengwen Xu, Khai D. T. Ngo, Toshikazu Nishida, Gyo-Bum Chung, ans Attma Sharma, ”Low frequency pulsed resonant converter for energy harvesting”, IEEE Transactions on Power Electronics, 22(1); S. 63–68, Januar 2007 [0004]
