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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
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Bei einer Energieversorgung von autarken Sensoren werden herkömmlicher Weise entweder Batterien verwendet, oder eine andere dauerhafte Energieversorgung angestrebt. Technologien zum Sammeln von Energie aus einer Umgebung werden häufig unter dem Begriff des „Energieerntens” (Energy Harvesting) zusammengefasst. Einige bekannte Beispiele sind Sensoren, die mittels Solarzellen oder eines Funkfeldes, vgl. hierzu RFID (Radio Frequenz Identifikation), mit Energie versorgt werden. Eine verhältnismäßig unbekannte Möglichkeit stellen elektro-thermische Wandler dar, die ebenso als Peltierelement oder thermo-elektrische Generator TEG bezeichnet werden. Dabei wird eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Flächen benutzt, um daraus einen Stromfluss zu erzeugen. Auch lassen sich Vibrationen mit Hilfe von Piezo-Biegewandlern oder elektro-magnetischen Systemen zur Gewinnung elektrischer Energien nutzen.
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Die Effizienz derartiger Wandler ist allerdings sehr gering. Außerdem erzeugen Sie trotz einer Reihenschaltung von vielen derartigen Elementen lediglich eine geringe Spannung, die für eine Speisung von elektronischen Schaltkreisen herauf gesetzt werden muss. Für eine möglichst gute Nutzung derartiger Wandler und anderer Stromlieferanten, die lediglich eine geringe Ausgangsspannung erzeugen, bedarf es einer möglichst effizienten Spannungswandlung auf ein für elektronische Schaltungen nutzbares Niveau. Die verhältnismäßig hohe Betriebsspannung für elektronische Schalter, beispielsweise zum Wechselrichten und Hochtransformieren, bzw. für Dioden macht diese für eine derartige Verwendung unbrauchbar.
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Herkömmlicher Weise wird eine höhere Spannung beispielsweise folgendermaßen bewirkt:
- a) Transformatorisch, falls ein Wechselrichter für eine Spannung an einer primären Wicklung zur Verfügung steht, bzw. falls die Spannungsquelle bereits eine Wechselspannung liefert. Nachteiligerweise sind Verluste im Transformator hoch, es besteht ein größerer Platzbedarf und die Kosten sind ebenso hoch.
- b) Durch ein elektronisches Umschalten und Aufladen von Kapazitäten. Dies ist allerdings begrenzt durch eine minimale Schaltspannung von elektronischen Schaltern.
- c) Durch entsprechende Auslegung eines Energiewandlers, der auf eine Erzeugung höherer Spannungsniveaus hin ausgelegt ist. Sich daraus ergebende Nachteile sind ein höherer Platzbedarf, erhöhte Kosten, da Elemente in Reihe geschaltet und teurere Materialien verwendet werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Spannungswandler und ein entsprechendes Verfahren zur Spannungshochsetzung von Eingangsspannungen auf Ausgangsspannungen oder zur Spannungstiefsetzung von Eingangsspannungen auf Ausgangsspannungen bereitzustellen. Des Weiteren soll der Spannungswandler einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Ebenso sollen im Fall einer Spannungshochsetzung Eingangsspannungen beliebig klein sein können. Der Spannungswandler soll zudem gegenüber Alterungsprozessen robust sein.
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Die Aufgabe wird durch einen Spannungswandler gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren zur Spannungswandlung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein mechanischer Schalter, der eventuell mehrere Kontakte aufweist, durch Einflüsse aus einer Umgebung eines Spannungswandlers wiederholt betätigt. Ein derartiger Schalter kann ebenso als mechanische gesteuerter Schalter bezeichnet werden. Beispielsweise sind Einflüsse aus der Umgebung des Spannungswandlers sind Schall, Erschütterungen, Bewegungen oder Vibrationen. Ein Vorteil gegenüber herkömmlichen Wandlern, die direkt versuchen, diese Energie zu nutzen, ist, dass der nutzbare Frequenzbereich sehr breit ist und dass bereits sehr geringe Energiemengen ausreichen, um den mechanischen Schalter zu betätigen. Derartige kleine mechanische Energiemengen wären ansonsten mit großer Bandbreite nur schwer direkt nutzbar.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Spannungswandler zu einer Spannungswandlung einer an zwei ersten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden ersten Spannung zu einer an zwei zweiten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden zweiten Spannung oder zu einer umgekehrten Spannungswandlung derart bereitgestellt, dass zwischen den ersten Spannungsanschlüssen einerseits und den zweiten Spannungsanschlüssen andererseits mindestens ein elektro-mechanischer Schalter elektrisch angeschlossen und mechanisch an aus einer Umgebung des Spannungswandlers verursachten mechanischen Bewegungen derart gekoppelt ist, dass der Schalter mindestens einen elektrischen Leiter aufgrund der Bewegungen abwechselnd elektrisch leitend oder nichtleitend schaltet, so dass die erste Spannung zu der zweiten Spannung hochgesetzt oder die zweite Spannung zu der ersten Spannung tiefgesetzt wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zu einer Spannungswandlung einer an zwei ersten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden ersten Spannung zu einer an zwei zweiten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden zweiten Spannung oder zu einer umgekehrten Spannungswandlung derart bereitgestellt, dass zwischen den ersten Spannungsanschlüssen einerseits und den zweiten Spannungsanschlüssen andererseits mindestens ein elektro-mechanischer Schalter elektrisch angeschlossen und mechanisch an aus einer Umgebung des Spannungswandlers verursachten mechanischen Bewegungen derart gekoppelt ist, dass der Schalter mindestens einen elektrischen Leiter aufgrund der Bewegungen abwechselnd elektrisch leitend oder nichtleitend schaltet, so dass die erste Spannung zu der zweiten Spannung hochgesetzt oder die zweite Spannung zu der ersten Spannung tiefgesetzt wird.
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Wesentliche Vorteile einer erfindungsgemäßen Lösung sind folgende:
- a) Es erfolgt eine optimale Nutzung einer verfügbaren elektrischen Energie in Folge eines hohen Wirkungsgrades, da eine Spannungswandlung mittels einer Nutzung von weiterer Umgebungsenergie ausgeführt wird. Die erfindungsgemäßen Schalter weisen im Gegensatz zu herkömmlichen Dioden nahezu keine Schaltverluste auf.
- b) Es können bereits sehr kleine Systeme zur Spannungswandlung verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler und ein entsprechendes Verfahren, insbesondere zur Spannungserhöhung von Eingangsspannungen in einem Bereich von 0 mV bis 200 mV auf Ausgangsspannungen auf ein für elektronische Schaltungen nutzbares Niveau, beispielsweise in einem Bereich von 0 V bis 12 V.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Mehrzahl von Schaltern, eine Mehrzahl von Kapazitäten abwechselnd elektrisch parallel zueinander zu den zwei ersten Spannungsanschlüssen schalten oder elektrisch in Reihe zueinander an die zwei zweiten Spannungsanschlüssen schalten.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Schalter eine primäre Wicklung eines Transformator regelmäßig abwechselnd elektrisch leitend oder elektrisch nichtleitend zu den zwei ersten Spannungsanschlüssen schalten, so dass mittels einer zu einer primären Wicklungszahl höheren sekundären Wicklungszahl des Transformators die erste Spannung zu der zweiten Spannung hoch gesetzt werden kann. Ein Schalter, der beispielsweise mittels eines Kugelkontaktes realisiert ist, wird zur primären Wicklung eines Transformators in Reihe geschaltet. Durch ein regelmäßiges Öffnen und Schließen des Schalters in Folge mechanischer Bewegungen, Erschütterungen oder Vibrationen kann sekundärseitig aufgrund einer höheren Wicklungszahl eine höhere Spannung erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an den ersten Spannungsanschlüssen eine mittels einer ersten Einrichtung zum Sammeln von Energie aus einer Umgebung erzeugte Gleichspannung angelegt sein und eine elektrische Sammelkapazität elektrisch angeschlossen sein, wobei an den zweiten Spannungsanschlüssen eine Diode oder ein elektrischer Gleichrichter und danach eine elektrische Glättungskapazität elektrisch angeschlossen sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an den ersten Spannungsanschlüssen eine mittels einer zweiten Einrichtung zum Sammeln von Energie aus einer Umgebung erzeugte Wechselspannung angelegt sein und die Schalter mechanisch zu der zweiten Einrichtung derart gekoppelt sein, dass die Wechselspannung zusätzlich gleichgerichet werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schalter Dioden einer ursprünglich Dioden aufweisenden Gleichrichteranordnung derart ersetzen, dass die Schalter entsprechend den Dioden elektrisch leitend oder nichtleitend schalten können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die aus der Umgebung des Spannungswandlers verursachten mechanischen Bewegungen den elektro-mechanischen Schaltern und der zweiten Einrichtung Energie zuführen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Einrichtung ein Piezo-Biegewandler sein und die Schalter als metallische Laschen erzeugt sein und mit dem Piezo-Biegewandler mechanisch gekoppelt sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Einrichtung eine Magnet-Spule-Anordnung sein und die Schalter als metallische Laschen erzeugt und mit der Magnet-Spule-Anordnung mechanisch gekoppelt sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein jeweiliger Schalter in einem ersten Zustand eine erste Art von elektrischen Leitern elektrisch leitend und eine zweite Art von elektrischen Leitern elektrisch nichtleitend schalten, und in einen zweiten Zustand die erste Art von elektrischen Leitern elektrisch nichtleitend und die zweite Art von elektrischen Leitern elektrisch leitend schalten.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein jeweiliger Schalter bereitgestellt sein, der nach einem Überschreiten eines Schwellenwertes einer mechanischen Beschleunigung alle beteiligten Elemente des Schalters mittels eines zeitlich festgelegten Umschaltmoments gleichzeitig schaltet. Ein derartiger Schalter kann mit einer Art „Klick-Effekt” ausgestattet sein, das heißt, bei Auftreten einer mechanischen Beschleunigung reagiert ein derartiger Schalter zunächst nicht, schaltet dann aber abrupt um, so dass ein zeitlich genau festgelegter Umschaltmoment erzielt wird. Bei diesem schalten alle beteiligten Schaltelemente genau gleichzeitig um.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Spannung an einen elektronischen Schaltkreis zu dessen elektrischen Leistungsversorgung angelegt sein.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung;
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2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Spannungswandlers zur Herleitung eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers. Die vorliegende Erfindung betrifft beispielsweise die elektrische Leistungsversorgung eines energieautarken Funksensors als elektronischen Schaltkreis. Dabei dient eine zweite Spannung eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers der elektrischen Leistungsversorgung eines derartigen energieautarken Funksensors. Grundsätzlich können beliebige elektronische Schaltkreise mittels eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers elektrisch leistungsversorgt werden.
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Herkömmlicher Weise liefern in energieautarken Funksensoren eingesetzte Energiewandler, zumindest bei einer schwachen Anregung, lediglich geringe Ausgangsspannungen. Somit sind spezielle schaltungstechnische Maßnahmen erforderlich, mit deren Hilfe niedrige Spannungen am Ausgang des verwendeten Energiewandlers auf „brauchbare” Spannungsniveaus angehoben werden können.
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Gemäß 1 und 2 soll die Rolle, die hier mechanisch gesteuerte Schalter spielen können anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Die Verwendung der erfindungsgemäß genannten mechanisch gesteuerten Schalter ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, da diese den Betrieb von Funksensoren mit besonders niedrigen Eingangsspannungen ermöglichen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Spannungswandlers, an dessen Eingang eine Wechselspannung bzw. ein Wechselspannungssignal anliegt. Ein derartiges Wechselspannungssignal kann beispielsweise mittels eines Piezo-Biegewandlers für eine Umwandlung von Vibrationen in elektrische Energie erzeugt sein. 1 zeigt einen Teil eines Schaltplanes zur Stromversorgung eines Funksensors mit Energie aus Vibrationen. 1 zeigt einen Auszug aus dem Schaltplan vom Stromversorgungsteil eines energieautarken Funksensors. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wandelt ein Piezo-Biegewandler die Vibrationen in ein Wechselspannungssignal mit niedriger Amplitude um. Dieses Wechselspannungssignal wird der Schaltung zugeführt. Dies stellt die Markierung von Uin zwischen den Anschlüssen J1 und J2 dar. Mit Hilfe der daran angeschlossenen Schaltung aus Dioden und Kondensatoren wird diese Wechselspannung gleichgerichtet, aber ebenso auf ein höheres Spannungsniveau angehoben. Damit stellt 1 eine bekannte herkömmliche Schaltung zur Spannungsvervielfachung dar. Am Ausgang der Schaltung kann eine mit Uout gekennzeichnete hoch gesetzte Spannung abgegriffen werden. Die Stromaufnahme der Schaltung mit einer bestimmten Last ist entsprechend höher als die Stromaufnahme der Last selber.
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Die gemäß 1 dargestellte Schaltung funktioniert so lange die Amplitude des Wechselspannungssignals am Eingang noch deutlich über der Schwellenspannung der verwendeten Dioden liegt. Es gibt zwar Dioden mit besonders niedrigen Schwellenspannungen, und zwar bis unter 150 mV bei einem Stromfluss von 10 μA, aber es soll die Schaltung prinzipiell ebenso bei wesentlich niedrigeren Eingangsamplituden funktionieren.
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Eine Effektivität einer Spannungsumsetzung verschlechtert sich des Weiteren zunehmend, wenn die Spannungsamplitude im Verhältnis zur Dioden-Schwellspannung sinkt, und zwar je nach Schaltungszustand und bei einer Reihenschaltung mehrerer Dioden hintereinander.
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Gemäß der Idee der vorliegenden Erfindung können mechanische Schalter Dioden in der Schaltung gemäß 1 ersetzen. Da die mechanischen Schalter nahezu keinen Spannungsabfall aufweisen, können mit obigem Schaltungsprinzip theoretisch beliebig viele Stufen hintereinander geschaltet werden, so dass die Eingangsspannung auf nahezu jedes Spannungsniveau angehoben werden kann.
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Damit die mechanischen Schalter die Dioden ersetzen können, müssen die mechanischen Schalter in einem richtigen Verhältnis zur Eingangswechselspannung betätigt werden. Im vorliegenden Fall gemäß 1 muss dies genau passend erfolgen.
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Dies lässt sich im vorliegenden Fall auf vergleichweise leichte Art realisieren. Das Wechselspannungssignal wird mit Hilfe eines Piezo-Biegewandlers aus Vibrationen erzeugt und verhält sich, zumindest in erster Näherung, ebenso phasenkohärent zur momentanen Auslenkung des Piezo-Biegewandlers. Eine Möglichkeit zur Umsetzung würde beispielsweise die Ausführung der Schalter in Form von metallischen Laschen darstellen, die mechanisch mit den Piezo-Biegewandlern verkoppelt sind und zum jeweils passenden Zeitpunkt analog zur Funktion der Dioden schalten. Die Verschaltung muss also derart bereitgestellt sein, dass die mechanischen Schalter dann leiten, wenn ebenso die Dioden leiten würden und dann sperren, wenn ebenso die Dioden sperren würden.
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1 zeigt eine herkömmliche Gleichrichter- und Hochsetzerschaltung, die durch die vorstehend beschriebene Nutzung von mechanischen Schaltern anstelle der Dioden weiterhin als eine Art Gleichrichter und Vervielfacher-Schaltung zugleich wirkt.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers. Dabei sind in 2 die Dioden gemäß 1 durch erfindungsgemäße mechanische bzw. elektro-mechanische Schalter ersetzt.
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Gemäß 2 liegt an einem Eingang ein Gleichspannungssignal an.
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Ein weiteres Anwendungsbeispiel wäre ein Funksensor, der mit Hilfe eines Thermogenerators betrieben und mit Energie versorgt wird. Thermogeneratoren liefern in der Regel bei üblichen Temperaturdifferenzen vergleichsweise kleine Ausgangsspannungen, beispielsweise 50 mV bei einer Temperaturdifferenz von 10 Kelvin. Hier ist ebenso eine Umsetzung auf ein höheres Spannungsniveau erforderlich.
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Ebenso bildet sich hier eine Spannungshochsetzung über mechanische betätigte Schalter an, wenn Bewegungen und dergleichen dafür ausgenutzt werden können. Im Falle des über einen Thermogenerator betriebenen Funksensors könnte dies beispielsweise über Bewegungen bewerkstelligt werden. Konkretes Anwendungsbeispiel wären medizinische Sensoren, die man am Körper trägt und die die zum Betrieb notwendige Energie aus der Temperaturdifferenz zwischen Körperwärme und Umgebungstemperatur beziehen. Die notwendige Betätigung der mechanischen Schalter würde in diesem Fall über Bewegungen der Personen erfolgen, d. h. zufällig ausgeführt und nicht absichtlich. Bei einer entsprechenden Auslegung der Schalter reichen zum Umschalten auch sehr kleine Bewegungen bzw. ebenso Erschütterungen aus.
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Eine geeignete Schaltung zur Spannungsvervielfachung ist in 2 dargestellt. 2 zeigt einen beispielhaften Aufbau mechanischer Spannungswandler. Am Ausgang kann noch ein großer Kondensator angeschlossen sein.
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Die dargestellten Schalter sind mechanisch miteinander verkoppelt und können nur zwei Zustände annehmen: Alle Brücken befinden sich in der linken Schaltstellung oder eben in der rechten Schaltstellung. In der Abwählung befinden sich alle Brücken momentan in der linken Schaltstellung.
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Am Eingang – mit ”IN” gekennzeichnet – wird die niedrige Gleichspannung des Thermogenerators angelegt, am Ausgang – mit ”OUT” gekennzeichnet – kann die heraufgesetzte Spannung abgegriffen werden.
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Die Funktion der Anordnung ist der der Schaltung aus Dioden und Kondensatoren gemäß 1 sehr ähnlich. Befinden sich die Brücken in der rechten Schaltstellung, so werden die Kondensatoren C1 bis C4 auf die Eingangsspannung aufgeladen, da jeder der Kondensatoren niederohmig mit dem Eingang verbunden ist. Wird der Schalter betätigt, beispielsweise mittels einer kleinen Bewegung, befinden sich die Brücken in der linken Schaltstellung. Nun sind die Kondensatoren C1 bis C4 in Reihe geschaltet mit dem Ausgang der Schaltung verbunden. Befindet sich ein größerer Kondensator am Ausgang, so lässt sich dieser annähernd auf das Spannungsniveau der Reihenschaltung der Kondensatoren C1 bis C4 aufladen und ein neuer Zyklus kann beginnen.
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Zur Betätigung des Schalters sind keine gleichmäßigen Bewegungen bzw. Erschütterungen notwendig. Es reicht aus, wenn es gelegentliche Umschaltvorgänge gibt.
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Die Verwirklichung einer Schaltung gemäß 2 lässt sich beispielsweise mittels mechanischer Schalter realisieren, und zwar als größere Ausführung oder in mikroelektro-mechanischer System-(MEMS-)Bauweise.
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Es sind ebenso Erschütterungsschalter, beispielsweise in Form von Kugelschaltern, bzw. Neigungsschalter am Markt verfügbar, die ebenfalls zum Aufbau der in 2 dargestellten Anordnung herangezogen werden können. Dazu ist pro Schalter lediglich ein Schließer-Kontakt bereitgestellt. Es kann eine entsprechende Zusammenstellung erforderlich sein. In 2 zeigt der Doppelpfeil zwei Bewegungsrichtungen an. Gemäß 2 wird mit mehreren (mikro-)mechanischen Schaltern folgende Anordnung von Kapazitäten zwischen einem Ladezustand und einem Entladezustand geschaltet. 2 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines mechanischen Spannungswandlers. Am Eingang (IN) wird beispielsweise ein thermo-elektrischer Generator parallel dazu eine große Kapazität angeschlossen. Am Ausgang empfiehlt sich eventuell eine Diode oder ein Gleichrichter und dahinter eine Kapazität, die für die höhere Ausgangsspannung ausgelegt ist. Es können zusätzlich große Kapazitäten zum Sammeln vor geschalten werden und ein Gleichrichter und große Kapazitäten nachgeschaltet. Es sind nicht zwingend viele Schaltkontakte nötig, wenn eine relativ konstante Frequenz für den Schalter zur Verfügung steht. Des Weiteren ist eine Kombination mit einem Transformator oder eine Kaskadierung möglich. Es müssen lediglich die Spannungsbereiche der Kondensatoren beachtet werden. Es lassen sich verschiedene Topologien mit Schaltern und Umschaltern realisieren. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kombination eines Rüttelspannungswandlers mit einem thermo-elektrischem Generator, der beispielsweise in einer Uhr untergebracht sein kann.
