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Die Erfindung betrifft einen Piezogenerator mit verschiedenen Piezoelementen und eine dazugehörige elektronische Schaltung.
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Der Einsatz von Sensoren, getrieben von neuen Applikationen, aber auch von sinkenden Kosten durch eine Realisierung in MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems), breite sich auf immer weitere Einsatzgebiete aus. Besonders interessant sind hierbei Sensorknoten und Netzwerke, die energieautark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb der einzelnen Komponenten notwendige elektrische Energie nicht aus der Netzversorgung oder einer Batterie, sondern über einen geeigneten Wandler aus der in der Umgebung zur Verfügung stehenden Energie wie z. B. Vibration, Wärme oder Sonne.
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Eine Möglichkeit zur Bereitstellung von elektrischer Energie besteht in der Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts, um mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln.
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Die im Piezoelement erzeugte Spannung und Energie ist in der Regel nicht direkt für einen elektrischen Verbraucher und insbesondere nicht für die Systemkomponenten eines drahtlosen Sensorknotens geeignet. Aus diesem Grund wird zwischen Piezogenerator und Verbraucher eine spezifische Energiemanagementschaltung eingesetzt. Aus
"A New Rectifier and Trigger Circuit for a Piezoelectric Microgenerator" (Proceedings of the Eurosensors XXIII, conference September 2009, Pages 1447–1450) ist eine solche Energiemanagementschaltung in CMOS Technologie bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen günstigen und einfach aufgebauten Piezogenerator zum Umwandeln von mechanischer in elektrischer Energie mit hohem Wirkungsgrad und kurzen System-Startup-Zeiten zu realisieren.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
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Gegenstand dieser Erfindung ist eine neuartige Anordnung, basierend auf dem piezoelektrischen Effekt, um beispielsweise ein autarkes Energieversorgungsmodul zum Betrieb eines drahtlosen Sensorknotens zu realisieren.
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Der piezoelektrische Effekt wird dazu genutzt, um mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Ein solcher Generator wird beispielsweise mit Hilfe einer Biegebalkenstruktur realisiert. Eine externe Umgebungskraft F wirkt auf die blau dargestellte Piezoschicht ein, die seitlich einseitig oder zweiseitig eingespannt ist. Die induzierte mechanische Spannung σ wird über die piezospezifischen Materialkonstanten d (Ladungskonstante) und ε (Permittivität) in eine elektrische Energie Wp bzw. Spannung Vp umgewandelt.
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Es gelten folgende Zusammenhänge:
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Um die gewandelte elektrische Energie zu maximieren, wird ein Piezoelement verwendet, das möglichst eine großen Wert für d und gleichzeitig einen kleinen Wert für ε aufweist. Durch die Wahl des Materials zur Optimierung der Energie ist der Spannungspegel über Gleichung (2) mit festgelegt.
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Beispiele für piezospezifische Materialkonstanten sind in folgender Tabelle dargestellt:
| Material | D[pC/N] | ε | D21ε | d/ε |
| PZT 7A | 60 | 425 | 8,471 | 0,141 |
| ZnO | 5,4 | 12,64 | 2,307 | 0,427 |
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Mit PZT kann im Vergleich zu ZnO entsprechend Gleichung (1) eine ca. 3,7-fache Energiemenge gewandelt werden. Auf der anderen Seite ist die generierte Spannung im Falle von ZnO um ca. den Faktor 3 größer im Vergleich mit PZT. Energie und Spannung können also nicht unabhängig voneinander eingestellt werden.
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Die Grundprinzipien einer Schaltung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe eines piezoelektrischen Generators sind im Folgenden beschrieben:
Der Generator ist als Stromquelle mit parallel geschalteter Kapazität dargestellt. Die primäre elektrische Energie (elektrische Spannung) hat entsprechend der mechanischen Anregung einen oszillierenden Verlauf. Mit Hilfe eines ersten Schaltungsblocks muss dieses Wechselsignal gleichgerichtet werden. Die elektrische Energie liegt dann bei einem Gleichspannungspegel an einer ersten schaltungsinternen Speicherkapazität vor. Die Energie und Spannung an diesem Knoten wird typischerweise auch zur Versorgung des ersten Schaltungsblocks verwendet. Für das Hochfahren des Systems, also zu einem Zeitpunkt, wo es am ersten Speicherknoten noch nicht genügend Energie zum Betrieb gibt, wird eine Startup-Schaltung benötigt, die passiv funktioniert. Da der Spannungspegel am ersten Speicherknoten in der Regel nicht für den eigentlichen Verbraucher ausreichend ist, wird er in einer zweiten Stufe an die Erfordernisse des Verbrauchers angepasst. Hierfür werden beispielsweise Ladungspumpen eingesetzt.
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Die höhere Ausgangsspannung dient vorrangig zum Ansteuern von hochohmigen Lasten wie z. B. dem Gate eines Transistors. Die Kombination der Anordnung des piezoelektrischen Generators und der dazugehörigen Schaltungsarchitektur erlaubt die gleichzeitige Optimierung von Leistungsbereitstellung und Spannungspegeln. Der Gesamtleistungsfluss von der primären Umweltenergie zum Systemverbraucher kann maximiert werden. Damit kann eine höhere Funktionalität realisiert werden, die Systemzuverlässigkeit wird vergrößert und die System-Startup-Zeiten werden verringert.
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In den folgenden Figuren sind verschiedene Ausführungen der Erfindung dargestellt.
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Es zeigen:
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1: den piezoelektrischen Biegewandler eines Piezogenerators
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2: eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Biegewandler aus 1
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3: eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Biegewandler aus 1
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4: eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Biegewandlers eines Piezogenerators
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5: ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltung des Piezogenerators, die einem piezoelektrischem Biegewandler nachschaltbar ist
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6a: ein zwischen zwei Befestigungen eingespannter piezoelektrischer Biegewandler
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In den Figuren haben gleiche bzw. sich entsprechende Einheiten die gleichen Bezugszeichen. Die Figuren werden gruppenweise gemeinsam beschrieben.
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In 1a ist ein als piezoelektrischer Biegewandler ausgebildeter Piezogenerator in Aufsicht dargestellt. In 1b ist der Piezogenerator 100 aus 1a in Seitenansicht entlang dessen Schnittlinie C dargestellt. Der piezoelektrische Biegewandler aus 1a, b weist einen Träger 1 auf, dessen Grundform dreieckig ausgebildet ist. Der Träger 1 ist seitlich in eine Befestigung 10 eingespannt. Auf den Träger 1 sind zwei piezoelektrische Schichten 2, 3 nebeneinander flächig aufgebracht:
- – ein erstes Piezoelement 2 mit einer ersten Höhe h1 und mit einer dreiecksförmigen Grundform, die an die der Befestigung 10 abgewandten Dreiecksform des Trägers 1 angepasst ist.
- – ein zweites Piezoelement 3 einer zweiten Höhe h2 und, das zwischen der Befestigung 10 und dem ersten Piezoelement 2 angeordnet ist und angepasst an die Grundfläche des Trägers 1 trapezförmig ausgebildet ist.
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An der Oberseite des ersten und des zweiten Piezoelements 2, 3 sind jeweils eine erste und zweite obere Elektrodenfläche 5, 7 angeordnet. An der Unterseite des ersten und zweiten Piezoelements 2, 3 sind jeweils eine erste und zweite untere, dem Träger 1 zugewandte Elektrodenfläche 4, 6 angeordnet. Das erste und zweite Piezoelement 2, 3 ist zueinander beabstandet angeordnet, um eine elektrische Isolation ihrer oberen 5, 7 und unteren 4, 6 Elektrodenflächen sicherzustellen.
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Der Träger 1 ist durch seine einseitige Montage an der Befestigung 10 an dessen gegenüberliegenden Seite 20 beweglich und schwingfähig ausgebildet. Durch Aufbringen einer Wechselkraft F bewegt sich die der Befestigung 10 gegenüberliegende Seite 20 des Trägers 1 nach oben und unten in einer oszillierenden Bewegung x. Durch diese Bewegung werden das erste und das zweite Piezoelement 2, 3 auf Zug bzw. auf Druck mit einer ersten σ1 und zweiten mechanischen Spannung σ2 beansprucht, wodurch jeweils Spannungsdifferenzen U1, U2 zwischen den Ober- und Unterseiten des ersten bzw. zweiten Piezoelements 2, 3 entstehen, die über die jeweiligen oberen Elektroden 5, 7 bzw. unteren Elektroden 4, 6 abgegriffen werden und beispielsweise durch eine nachgeschaltete elektrischen Schaltung gemäß 5 an eine Last L angepasst werden können.
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Die oszillierende Bewegung der dem Träger 1 gegenüberliegenden Seite 10 des Trägers 1 kann auch durch Vibrationen der Befestigung 1 erzeugt werden. Die mechanischen Abmessungen des Spannungsgenerators 100 werden bevorzugt so ausgelegt, dass die Vibrationsfrequenz der Befestigung 1 im Bereich der Resonanzfrequenz fR des Trägers 1 mit den Piezoelementen 2, 3 liegt, wodurch eine höhere elektrische Leistung erzielbar ist.
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Die bevorzugt dreiecksförmige Flächenform des Trägers 1 dient zur gleichmäßigen Verteilung der ersten und zweiten mechanischen Spannungen σ1, σ2 innerhalb des ersten bzw. zweiten Piezoelements 2, 3 zwischen der Befestigung 10 und dessen gegenüberliegenden Seite 11.
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Das erste Piezoelement 3 ist ausgebildet zur Optimierung des Wirkungsgrads der Umsetzung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Das zweite Piezoelement 3 ist ausgebildet zum Optimieren und Erzielen eines möglichst hohen, elektrischen Spannungspegels mit im Vergleich zum ersten Piezoelement 2 geringeren erforderlichen Energiemenge.
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Die Piezoelemente 2, 3 weisen daher folgende Eigenschaften auf:
Die Ladungskonstanten d1, d2 und die Permittivitäten ε1, ε2 des ersten Piezoelements 2 bzw. des zweiten Piezoelements 3 weisen folgende Relationen zueinander auf: d1/ε1 < d2/ε2 und
d12/ε1 > d22/ε2
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So stammt das erste Piezoelement 2 bevorzugt aus der Gruppe der PZT-Verbindungen (Blei-Zirkonat-Titanat) und das zweite Piezoelement 3 bevorzugt aus der Gruppe der Zinkoxid-Verbindungen (ZnO).
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Die Fläche A1 des ersten Piezoelements 2 ist größer als die Fläche A2 des zweiten Piezoelements 3, bevorzugt mindestens um den Faktor 2, wodurch ein hoher Gesamtwirkungsgrad des Piezogenerators 100 erzielt wird.
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Alternativ können die Höhen h1, h2 des ersten und des zweiten Piezoelements 2, 3 voneinander abweichen. Zum Erzielen eines hohen Gesamtwirkungsgrads des Piezogenerators 100 ist die Höhe h1 des ersten Piezoelements 2 vorzugsweise um mindestens den Faktor 2 größer als die Höhe h2 des zweiten Piezoelements 3.
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Alternativ können die Volumina h1·A1, h2·A2 des ersten und des zweiten Piezoelements 2, 3 voneinander abweichen. Zum Erzielen eines hohen Gesamtwirkungsgrads des Piezogenerators 100 ist das Volumen h1·A1 des ersten Piezoelements 2 vorzugsweise um mindestens den Faktor 2 größer als das Volumen h2·A2 des zweiten Piezoelements 3.
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Es gelten folgende Proportionalitäten zwischen der: U1, U2 ≈ h1, h2, A1, A2, h1·A1, h2·A2 (3) Wp1, Wp2, ≈ h1, h2, A1, A2, h1·A1, h2·A2 (4)
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Durch die Kombination der Höhen-, Flächen- oder Volumenverhältnisse des ersten und des zweiten Piezoelements 2, 3 zueinander und der Materialien des ersten und des Piezoelements selbst können abhängig von dem verfügbaren Bauraum und den Kostenvorgaben der Piezogenerator 100 optimiert werden.
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So können beispielsweise das erste und das zweite Piezoelement 2, 3 aus dem gleichen Piezomaterial bestehen, und das zweite Piezomaterial 3 zum Erzielen einer der gewünschten Spannungsüberhöhung U2/U1 entsprechende Höhenverhältnis h2/h1 aufweisen, wodurch ein Herstellprozess für den Einsatz eines weiteren Piezoelements einsparbar ist.
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Der Piezogenerator ist an die in 5 beschriebene elektrische Schaltung angepasst. In dieser dient die höhere Spannung U2 des zweiten Piezoelements 3, 8, 13, 15 im Wesentlichen zum Ansteuern von elektrischen Schaltern, während die niedrigere Spannung U1 mit höherer verfügbarer Energie zum Ansteuern der Last L dient.
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Die 2a, 2b stellen einen weiteren piezoelektrischen Generator 100 dar, bei dem im Vergleich zur 1 das erste Piezoelement 9 zwischen der Befestigung 10 und dem zweiten Piezoelement 8 liegt. Das zweite Piezoelement 8 ist dreiecksförmig an die Grundform des Trägers 1 angepasst, das erste Piezoelement 9 ist trapezförmig ausgebildet an die Grundform des Trägers 1 angepasst. Die Flächen- und Volumenverhältnisse des ersten und des zweiten Piezoelements 9, 8 entsprechen im Wesentlichen den in 1 genannten Angaben.
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3 stellt eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Generators 100 dar, mit im Vergleich zu den 1 und 2 unterschiedlichen Grundformen des ersten und zweiten Piezoelements 12, 13:
Auf den dreiecksförmigen Träger 1 ist pfeilförmig das erste Piezoelement 12 angeordnet, wobei die Spitze der Pfeilform von der Befestigung 10 zu dessen gegenüberliegenden Seite 11 weist. In die dreiecksförmige Aussparung 13 des pfeilförmig ausgebildeten ersten Piezoelements 12 ist das zweite Piezoelement 13 eingebettet. Die Flächen- und Volumenverhältnisse des ersten und des zweiten Piezoelements 12, 13 entsprechen im Wesentlichen den in 1 genannten Angaben.
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4 stellt einen weiteren piezoelektrischen Generator 100 dar, bei dem das erste und das zweite Piezoelement 14, 15 im Unterschied zu den vorherigen 1 bis 3 nicht nebeneinander, sondern übereinander angeordnet sind.
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Das erste Piezoelement 14 ist mit seiner unteren, trägerseitigen Elektrode 16 auf den Träger 1 aufgebracht mit einer entsprechend an den Träger 1 angepassten dreiecksförmigen Grundform.
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Auf die auf das erste Piezoelement 14 aufgebrachte mittlere Elektrode 17 ist das zweite Piezoelement 15 aufgebracht mit entsprechend an das erste Piezoelement 13 angepasster Dreiecksform. Auf das zweite Piezoelement 15 ist eine obere Elektrodenfläche 18 aufgebracht.
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Die mittlere Elektrode 17 dient dem ersten Piezoelement 14 als obere und dem zweiten Piezoelement 15 als untere Elektrode. Die Grundfläche A2 des zweiten Piezoelements 15 ist bevorzugt kleiner als die Grundfläche A1 des ersten Piezoelements 14.
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Alternativ kann der Piezogenerator 100 aus 4 trägerlos ausgebildet sein (nicht dargestellt), wenn die Gesamthöhe h1 + h2 des ersten und des zweiten Piezoelements eine ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet. Der piezoelektrische Biegewandler 100 besteht hier im Wesentlichen aus den übereinander angeordneten ersten und den zweiten Piezoelementen.
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Die in den 1 bis 4 dargestellten geometrischen Grundformen des Trägers 1 und/oder des ersten 2, 9, 12, 14 und des zweiten Piezoelements 3, 8, 13, 15 können alternativ von den angegebenen Formen abweichen und beispielsweise rechteckig, vieleckig oder halbkreisförmig ausgebildet sein.
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In 6 ist der jeweilige piezoelektrische Generator 100 aus den 1 bis 4 quaderförmig ausgebildet und zweiseitig zwischen einer ersten Befestigung 1 und einer weiteren Befestigung 11 eingespannt.
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Relativbewegungen zwischen den beiden Befestigungen 10 und 11 führen zum Verbiegen des piezoelektrischen Generators 100 und zum bereits oben beschriebenen Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie.
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In 5 ist das Blockschaltbild einer Schaltungsarchitektur zum Anpassen der Ausgangsspannungen eines piezoelektrischen Generators 100 aus den 1 bis 4 und 6 an eine Last L dargestellt.
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Für jeden piezoelektrischen Generatorteil, d. h. für das erste Piezoelement 2, 9, 12, 14 und das zweite Piezoelement 3, 8, 13, 12 ist ein entsprechender separater erster und zweiter, vorzugsweise als Spannungswandler ausgebildeter Schaltungsblock SP1, SP2 zur Erzeugung eines gleichgerichteten Spannungssignals an einen jeweiligen ersten und zweiten Kondensator C1, C2 eines ersten und zweiten Speicherknotens K1, K2 vorgesehen. Jeder Schaltungsblock SP1, SP2 verfügt aber über eine eigene Startup-Schaltung ST1, ST2. Der Speicherknoten K2 mit höherer Spannung U02 versorgt dabei Spannungsteile, die vorzugsweise sehr wenig Energie verbrauchen, aber deutlich von einer hohen Spannung profitieren. Ein prominentes Beispiel für einen solchen Fall ist der beispielhaft als CMOS-Transistor ausgebildeter Schalter SW1 des ersten Schaltungsblocks SP1, dessen Gate-Steuerleitung S1 mit der höheren Spannung U02 beaufschlagbar ist. Die Gate-Kapazität eines solchen Transistors muss einmal auf einen Mindest-Spannungspegel aufgeladen werden, um dann quasi leistungslos eine niederohmige Verbindung/Schaltung zu ermöglichen. Der Transistor leitet dabei umso besser, je mehr Spannung am Gate anliegt.
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Ähnliche Überlegungen lassen sich für weitere Schaltungsteile anstellen. Dadurch ist ein optimierter Spannungseinsatz gewährleistet.
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Dabei ist der piezoelektrische Generator 100 mit dem ersten 2, 9, 12, 14 und dem zweiten 3, 8, 13, 15 Piezoelement als Stromquelle mit parallel geschalteter Kapazität C dargestellt. Die primäre Energie, d. h. die Spannung, hat entsprechend der mechanischen Anregung einen oszillierenden Verlauf. Mithilfe eines ersten Schaltungsblocks SP1 wird die Ausgangsspannung U1 des ersten Piezoelements 2, 9, 12, 14 auf U01 gleichgerichtet. Entsprechend wird die Ausgangsspannung U2 des zweiten Piezoelements 3, 8, 13, 15 durch den zweiten Schaltungsblock SP2 auf U02 gleichgerichtet. Die elektrische Energie liegt dann bei einem jeweiligen Spannungspegel U01, U02 an der ersten bzw. zweiten Speicherkapazität C1, C2 vor. Für das Hochfahren des Systems, also zu einem Zeitpunkt, bei dem es an den Speicherknoten K1, K2 noch nicht genügend Energie zum Betrieb gibt, wird eine Startup-Schaltung benötigt, die passiv funktioniert. Eine entsprechende Startup-Schaltung ST1, ST2 ist in dem ersten und in dem zweiten Schaltungsblock vorgesehen. Weiterhin wird die höhere Ausgangsspannung U02 des zweiten Schaltungsblocks SP2 dazu benutzt, den Schaltungsblock 1 zu unterstützen, beispielsweise zum schnelleren Hochfahren oder zum Betreiben des elektronischen Schalters SW2. Die Ausgangsspannung U02 am Kondensator C2 wird der Steuerung S1 des elektrischen Schalters SW1 zugeführt. Die Ausgangsspannungen U01 und U02 werden einer nachgeschalteten Nachverarbeitungsschaltung PPC zum Anpassen der Ausgangsspannungen UC1, UC2 an die Lasten L zugeführt. Die höhere Ausgangsspannung U02 am Kondensator C2 wird einer Großspannungs-Hilfsschaltung (large voltage auxiliary circuitry) LVAUX zugeführt. Entsprechend wird die Ausgangsspannung U01 des ersten Schaltungsblocks SP1 einer Niederspannungs-Hilfsschaltung (small voltage auxiliary circuitry) SVAUX zugeführt. Gleichzeitig wird die Ausgangsspannung U01 des ersten Schaltungsblocks SP1 einer Hauptleistungs-Verarbeitungsschaltung (Main Power Processing Unit) MPPU1 zugeführt, die die Hauptenergie aus dem ersten Schaltungsblock SP1 mit hohem Wirkungsgrad an die Last L liefert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”A New Rectifier and Trigger Circuit for a Piezoelectric Microgenerator” (Proceedings of the Eurosensors XXIII, conference September 2009, Pages 1447–1450) [0004]
