DE102011083144A1

DE102011083144A1 - Freigabe-Schaltungsanordnung für eine Spannungswandlerschaltung, Spannungswandler und Verfahren

Info

Publication number: DE102011083144A1
Application number: DE102011083144A
Authority: DE
Inventors: Alexander Frey; Meinrad Schienle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-03-21
Also published as: WO2013041356A2; WO2013041356A3

Abstract

Erläutert wird eine Freigabe-Schaltungsanordnung (230) für einen Spannungswandler (236). Die Schaltungsanordnung (230) enthält eine Komparatoreinheit (240) und hat einen ersten Eingang, der zu einem ersten Eingang der Komparatoreinheit (240) führt. Ein Ausgang der Schaltungsanordnung (230) ist mit einem Ausgang der Komparatoreinheit (240) verbunden. Eine Vorgabeeinheit (242) hat einen Ausgang, der mit einem zweiten Eingang der Komparatoreinheit (240) verbunden ist. Ein weiterer Eingang der Schaltungsanordnung (230) ist mit dem Ausgang der Komparatoreinheit (240) oder mit einem zweiten Eingang der Schaltungsanordnung (230) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Freigabe-Schaltungsanordnung für einen Spannungswandler. Die Freigabe-Schaltungsanordnung enthält eine Komparatoreinheit. Außerdem sind ein Spannungswandler und ein Verfahren betroffen.
Der Spannungswandler ist bspw. ein Aufwärtswandler, der eine erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung umwandelt, die einen höheren Spannungswert als die erste Gleichspannung hat. Alternativ ist der Spannungswandler ein Abwärtswandler, der aus einer größeren Gleichspannung eine kleine Gleichspannung erzeugt. Es werden aber auch Spannungswandler verwendet, die beide Arten der Spannungswandlung beherrschen. Im Zusammenhang mit Spannungswandlern wird auch oft von Schaltwandlern oder Schaltnetzteilen gesprochen, weil elektronische Schaltelemente die Eingangs-Gleichspannung oder die Ausgangs-Gleichspannung periodisch unterbrechen.
Die Charakteristik von Solarzellen bringt es mit sich, dass zur maximalen Leistungsgewinnung die Spannung an der Zelle auf einen optimalen Wert, den sogenannten ”Maximum Power Point”, MPP, geregelt werden sollte.
Aus diesem Grund sind für große Solarmodule aufwendige Regelschaltungen im Einsatz, die die optimale Energieausbeute der Module auch bei schwankenden Beleuchtungsverhältnissen und Temperaturen garantieren. Beispielsweise im Bereich der energieautarken Systeme ist jedoch der Einsatz einer aufwendigen Regeschaltung nicht möglich, da sie selbst zu viel Leistung verbrauchen würde.
Solche energieautarke Systeme speisen oft Verbraucher, deren Leistungsaufnahme kleiner als 1 Watt oder sogar kleiner als 1 Milliwatt ist.
Somit besteht ein Bedürfnis nach einer weiteren Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Spannungswandlers, insbesondere zur Speisung von Verbrauchern mit kleiner Leistungsaufnahme. Außerdem sollen ein zugehöriger Spannungswandler und ein zugehöriges Verfahren angegeben werden.
Die auf die Schaltungsanordnung bezogene Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Freigabe-Schaltungsanordnung weist eine Komparatoreinheit und einen ersten Eingang auf, der zu einem ersten Eingang der Komparatoreinheit führt. Außerdem weist die Schaltungsanordnung einen Ausgang auf, der mit einem Ausgang der Komparatoreinheit verbunden ist. Weiterhin enthält die Schaltungsanordnung eine Vorgabeeinheit, die einen Ausgang hat, der mit einem zweiten Eingang der Komparatoreinheit verbunden ist. Die Vorgabeeinheit weist weiterhin einen Eingang auf, der mit dem Ausgang der Komparatoreinheit oder mit einem zweiten Eingang der Schaltungsanordnung verbunden ist.
Die technische Wirkung dieser Schaltungsanordnung besteht darin, dass durch die Rückkopplung des Ausgangs der Komparatoreinheit oder durch die Einbeziehung eines weiteren Eingangs der Schaltungsanordnung die Möglichkeit gegeben ist, das Ausgangssignal der Komparatoreinheit bzw. eine weitere Eingangsgröße für die Vorgabe einer Vergleichsspannung in der Vorgabeeinheit zu nutzen. Damit ergeben sich neue Steuerprinzipien bzw. Regelprinzipien im Gegensatz zu einer fest vorgegebenen Vergleichsspannung.
Die Komparatoreinheit kann einfach aufgebaut sein und eine geringe Leistungsaufnahme haben. Die Schaltungsanordnung ist damit für die ”Energieernte” (Energy Harvesting) geeignet, bei der Verbraucher kleiner Leistung, insbesondere Sensoren, die Energie zu ihrem Betrieb aus der unmittelbaren Umgebung beziehen müssen, das heißt ohne Netzanschluss oder Anschluss an eine Batterie oder einen an anderer Stelle aufgeladenen Akkumulator.
Obwohl im Folgenden auf eine Solarzelle Bezug genommen wird, lassen sich auch andere Energiequellen verwenden an dem Spannungswandler, der durch die erläuterte Freigabe-Schaltungsanordnung freigegeben oder gesperrt wird. So sind bspw. piezoelektronische Energiequellen im Einsatz, die beim Drücken eines Schalters Energie abgeben können.
Die Komparatoreinheit kann die Spannung an dem ersten Eingang mit der Spannung an einem zweiten Eingang vergleichen. Abhängig vom Vergleichsergebnis wird am Ausgang der Komparatoreinheit eine positive Spannung oder eine negative Spannung bzw. ein hohe Spannung oder eine kleine Spannung ausgegeben. Operationsverstärker bieten sich zu Realisierung der Komparatoreinheit an.
Die Vorgabeeinheit kann zur Vorgabe einer Spannung dienen, die auch als Referenzspannung bezeichnet wird. Die Referenzspannung liegt zweckmäßig im Bereich von 0,3 Volt bis zu 10 Volt. Geeigneter Weise kann die Knickspannung von 0,5 Volt bei einer Diode als Grundwert für die Referenzspannung dienen.
Bei den Verbindungen handelt es sich um elektrisch leitfähige Verbindungen, wie Leiterbahnen auf einer Leiterplatte oder Leitbahnen in einem integrierten Schaltkreis.
Ein Eingang kann auch als Eingangsanschluss bezeichnet werden. Ein Ausgang kann auch als Ausgangsanschluss bezeichnet werden. Der Anschluss kann eine elektrisch leitfähige Verbindung sein oder eine Kontaktstelle, wie eine Lötstelle, ein Stecker, eine Buchse oder ähnliches.
Die Vorgabeeinheit kann einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator enthalten. Ein erster Anschluss des ersten Kondensators kann mit dem zweiten Eingang der Komparatoreinheit verbunden sein. Die Schaltungsanordnung kann eine Umschalteinheit enthalten, die abhängig von einem Signal an einem Steuereingang der Umschalteinheit wahlweise einen ersten Anschluss der Umschalteinheit mit einem zweiten Anschluss der Umschalteinheit oder den ersten Anschluss der Umschalteinheit mit einem dritten Anschluss der Umschalteinheit verbindet. Ein erster Anschluss des zweiten Kondensators kann mit dem ersten Anschluss der Umschalteinheit verbunden sein oder mit dem ersten Anschluss der Umschalteinheit über eine weitere Umschalteinheit der Schaltungsanordnung verbindbar sein. Der zweite Anschluss der Umschalteinheit kann mit dem zweiten Eingang der Komparatoreinheit verbunden sein. Der Steuereingang kann mit dem Ausgang der Komparatoreinheit oder mit dem zweiten Eingang der Schaltungsanordnung verbunden sein.
Somit ergibt sich eine einfach aufgebaute Schaltungsanordnung mit geringer Energieaufnahme. Dennoch ist bereits mit zwei Kondensatoren eine Steuerung bzw. Regelung des Arbeitspunktes entlang einer etwa linear ansteigenden Arbeitskurve möglich, was bspw. im Vergleich zu einer festen Referenzspannung bereits eine erheblich bessere Annäherung an eine optimale Arbeitskurve ist, die bspw. erst einen ansteigenden und dann einen weniger steil ansteigenden Kurventeil oder sogar einen fallenden Kurventeil hat.
Die Kapazität des ersten Kondensators kann mindestens fünf Mal so groß wie die Kapazität des zweiten Kondensators sein. Dieses Kapazitätsverhältnis gewährleistet, dass der eine Kondensator als Hauptkondensator verwendet wird, während der zweite Kondensator ein Hilfskondensator ist, um den Hauptkondensator sukzessive aufzuladen. Insbesondere stehen die genannten Kapazitätsverhältnisse in engem Bezug zu Spannungsverhältnissen, die einzustellen sind.
Die Spannungsvorgabeeinheit kann einen dritten Kondensator enthalten. Die Umschalteinheit kann eine erste Umschalteinheit sein, und der Steuereingang der ersten Umschalteinheit kann ein erster Steuereingang sein. Die weitere Umschalteinheit kann eine zweite Umschalteinheit sein, die einen zweiten Steuereingang enthält. Der erste Eingang des zweiten Kondensators kann mit einem ersten Eingang der zweiten Umschalteinheit verbunden sein. Ein erster Anschluss des dritten Kondensators kann mit einem zweiten Eingang der zweiten Umschalteinheit verbunden sein. Ein Ausgang der zweiten Umschalteinheit kann mit dem ersten Anschluss der ersten Umschalteinheit verbunden sein.
Es ergibt sich eine einfach aufgebaute Schaltungsordnung mit geringer Leistungsaufnahme, wobei die Verwendung von mehreren linearen Abschnitten einer Arbeitskurve mit voneinander verschiedenen Anstiegen der Abschnitte möglich ist. Damit lässt sich die tatsächliche Arbeitskurve einer optimalen Arbeitskurve besser annähern.
Die Vorgabeeinheit kann eine Spannungserfassungseinheit enthalten, die einen Ausgang hat, der mit dem zweiten Steuereingang verbunden ist. Ein Eingang der Spannungserfassungseinheit kann mit dem ersten Eingang der Schaltungsanordnung oder mit dem zweiten Eingang der Komparatoreinheit verbunden sein.
Die Beleuchtung oder der Strom einer Solarzelle wird hier indirekt über die Spannung erfasst auf einfache Art und Weise. Große Spannungen treten bspw. auf Grund der Gesamtverschaltung nur in bestimmten Abschnitten einer Arbeitskurve auf, z. B. der Kurve, die den Arbeitspunkt maximaler Leistung abhängig von der Beleuchtung zeigt. Damit kann in diesem Bereich der dritte Kondensator gewählt werden zur Verwendung einer Arbeitskurve mit einem anderen Anstieg als im unteren Spannungsbereich, insbesondere mit einem flacheren Anstieg im oberen Spannungsbereich.
Die Spannungserfassungseinheit ist zweckmäßig ein Analog-Digital-Umsetzer, vorzugsweise mit nur einem Bit oder nur zwei Bit. Damit kann die Spannungserfassungseinheit stromsparend und einfach aufgebaut werden. Alternativ kann auch eine weitere Komparatoreinheit verwendet werden.
Die Vorgabeeinheit kann alternativ auch eine Frequenzerfassungseinheit enthalten. Hier wird die Beleuchtung bzw. der, insbesondere von der Solarzelle kommende, Strom direkter über die Frequenz eines Freigabesignals am Ausgang des Komparators erfasst.
Die Komparatoreinheit kann eine Schaltung zur Erzeugung einer Schalthysterese enthalten. In diesem Zusammenhang wird auch von einem Schmitt-Trigger gesprochen. Das Verwenden einer Schalthysterese verhindert ein ständiges Ein- und Ausschalten des Spannungswandlers.
Die Vorgabeeinheit kann eine Diodenstrecke oder mehrere in Reihe geschaltete Diodenstrecken enthalten, an denen eine Grundspannung der Vergleichsspannung abgegriffen wird. Die Diodenstrecke wird durch den p-n-Übergang einer Diode gebildet oder durch einen entsprechend verschalteten Transistor. Typische Solarzellen haben bspw. eine Temperaturabhängigkeit von –2 mV/K, um die sich auch der optimale Arbeitspunkt verschiebt. Durch das direkte Nachmodellieren dieser Temperaturcharakteristik in der Vorgabeeinheit ist eine sehr einfache aber auch sehr effektive Regelung bzw. Steuerung des Arbeitspunkts abhängig von der Temperatur möglich.
Die Schaltungsanordnung kann mit einem Spannungswandler verbunden sein. Der Spannungswandler kann eingangsseitig mit einer Solareinheit verbunden sein, die eine einzige Solarzelle enthält. Die Vorgabeeinheit kann in diesem Fall eine einzige Diodenstrecke enthalten. Alternativ kann die Solareinheit mehrere in Reihe geschaltete Solarzellen enthalten. Die Anzahl der Diodenstrecken in der Vorgabeeinheit kann dann gleich der Anzahl der in Reihe geschalteten Solarzellen sein.
Insbesondere ist die Solarzelle aus dem gleichen Material wie die Diodenstrecke. Damit ist eine sehr gute Temperatursteuerung des Arbeitspunktes des Spannungswandlers möglich. Aber selbst wenn sich die Anzahl der in Reihe geschalteten Solarzellen von der Anzahl der Diodenstrecken unterscheidet, lassen sich mit Hilfe von Spannungsteilern effektive Steuerungen bzw. Regelungen bauen, die den Temperatureinfluss bei der Einstellung des Arbeitspunktes berücksichtigen.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Spannungswandler mit einer Freigabe-Schaltungsanordnung wie oben erläutert. Damit gelten die oben genannten technischen Wirkungen auch für den Spannungswandler selbst.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Freigeben eines Spannungswandlers. Bei dem Verfahren kann am Ausgang einer Komparatoreinheit ein Signal abgegriffen und zum Verändern einer an der Komparatoreinheit anliegenden Vergleichsspannung genutzt werden. Damit sind zusätzliche Steuer- bzw. Regelstrategien anwendbar.
Mit Hilfe des am Ausgang der Komparatoreinheit abgegriffenen Signals kann die Vergleichsspannung bei einer ersten Frequenz des Signals um einen ersten Wert erhöht werden und bei einer zweiten Frequenz um einen zweiten Wert. Die zweite Frequenz kann größer als die erste Frequenz sein. Der zweite Wert kann größer als der erste Wert sein. Alternativ ist der zweite Wert kleiner als der erste Wert. Damit kann am Anfangsbereich einer Kennlinie eine andere Arbeitskurve erzeugt werden als am Endbereich oder in einem mittleren Bereich. Die Frequenz des Signals ist bspw. ein Maß für die Beleuchtung einer Solarzelle bzw. für die Stärke des von ihr abgegebenen elektrischen Stroms.
Abhängig von dem Signal kann ein Hilfskondensator mit einem Hauptkondensator verbunden werden. Das schnelle Schalten von Kondensatoren ist bspw. von Schaltungen mit geschalteten Kondensatoren bekannt (Switched Capacitor). Im Ergebnis lassen sich durch das schnelle Umschalten Widerstände nachbilden, die mit einem bestimmten Anstieg einer Arbeitsgeraden verbunden sind.
Abhängig von einer Eingangsspannung der Komparatoreinheit kann einer von mindestens zwei Hilfskondensatoren mit voneinander verschiedenen Kapazitätswerten ausgewählt werden, insbesondere zum sukzessiven Aufladen des Hauptkondensators. Durch das Verwenden von Kondensatoren mit voneinander verschiedenen Kapazitätswerten lassen sich Arbeitskurven mit voneinander verschiedenen Anstiegen erzeugen. Damit kann eine optimale Arbeitskurve bereichsweise besser angenähert werden als mit nur einer Arbeitsgeraden. Bspw. lässt sich durch das Umschalten eine optimale Arbeitskurve nachbilden, die erst einen stark steigenden Teil und dann einen weniger stark steigenden Teil oder einen fallendem Teil hat.
Abhängig von der Frequenz des Signals kann einer von mindestens zwei Hilfskondensatoren mit voneinander verschiedenen Kapazitätswerten ausgewählt werden. Die Frequenz lässt sich ebenfalls mit Hilfe von Zählern einfach erfassen. Auch hier kann durch das Umschalten zwischen zwei Kondensatoren oder mehr als zwei Kondensatoren ein abschnittsweises Nachbilden von optimalen Arbeitkurven erfolgen. Die Anzahl der Abschnitte bzw. der zur Auswahl stehenden Kondensatoren ist insbesondere kleiner als vier.
Für die Schaltungsanordnung, den Spannungswandler und für das Verfahren gilt, dass das Ziel bspw. ein autonom arbeitendes Sensormodul herzustellen, eine autarke Energieversorgung erfordern kann. Hierfür kommt eine Klasse von sogenannten Mikrogeneratoren in Frage, die auf verschiedenen Wegen aus der Umgebung Energie gewinnen. Ein wichtiger Generatortyp ist die Solarzelle. Bei Vorhandensein von Lichtenergie können vergleichsweise hohe Leistungen bereitgestellt werden.
Typische Werte für die Leerlaufspannung einer Silizium-Solarzelle liegen bei 600 mV (Millivolt), der Kurzschlussstrom liegt im Bereich von 3 bis 20 μA/cm² (Mikroampere pro Quadratzentimeter) bei Beleuchtungsstärken von 200 bis 1500 lx (Lux). Damit ergibt sich ein Wert von etwa 1,8 bis 32 μW/cm² (Mikrowatt pro Quadratzentimeter) an Primärenergie. Die gewonnene Energiemenge dient dann zum Betrieb von Systemschaltungsblöcken wie Sensorik und Datenübertragung.
Gegenstand hier ist deshalb eine Schaltungsanordnung, die auf einfache Weise und mit minimalem Eigenbedarf an Energie die Regelung der Spannung auf die optimale Spannung übernimmt.
Im Bereich großer Solarmodule kommen aufwendige Regelschaltungen zum Einsatz, die die optimale Energieausbeute der Module auch bei schwankenden Beleuchtungsverhältnissen und Temperaturen garantieren. Dies ist jedoch im Bereich der energieautarken Systeme meist nicht möglich, da der Eigenverbrauch der Schaltungen viel zu hoch ist. Beim Einsatz von Solarzellen für energieautarke Systeme wird meist komplett auf eine Regelung verzichtet und dabei in Kauf genommen, dass nur ein Teil der möglichen Energie gewonnen werden kann.
Der zusätzliche Schritt besteht hier im Einfügen eines Schaltungsblockes zur Referenzspannungserzeugung, wobei die Referenzspannung die Temperaturabhängigkeit und/oder die Abhängigkeit des MPP (Maximum Power Point) von der Beleuchtungsstärke nachbildet.
Die Schaltung erhöht die Effizienz der Regelschaltung für Solarzellen, indem sie die Regelspannung am Solarmodul auch bei Beleuchtungs- und Temperaturänderungen auf den ”Maximum Power Point” (MPP) nachführt. Dabei kommt die Schaltung mit wenigen passiven Komponenten aus. Hierdurch kann der Eigenverbrauch der Schaltung extrem klein sein, wie es im Bereich der energieautarken Systeme erforderlich ist.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff ”kann” verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
1 ein Beispiel eines Kennlinienfeldes einer Solarzelle für verschiedene Beleuchtungsstärken,
2 ein Kennlinienfeld einer Solarzelle für die Solarzellenleistung,
3 den optimalen Arbeitspunkt (VMpp) einer Solarzelle über der Beleuchtungsstärke,
4 den Verlauf der Ausgangsspannung einer Solarzelle abhängig von der Temperatur,
5 ein Arbeitsprinzip einer Regelung,
6 eine einfache Regelschaltung,
7 eine erste Variante für eine bevorzugte Regelschaltung, und
8 eine zweite Variante für eine bevorzugte Regelschaltung.
In der 1 ist beispielhaft ein Solarzellenkennfeld dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist die Spannung in Volt abgetragen. Auf der vertikalen Achse ist der Strom in Mikroampere pro Quadratzentimeter abgetragen. Beispielhaft wurde die Solarzelle Sanyo AM-1816C ausgewählt. Vier Kurven 10 bis 40 zeigen in dieser Reihenfolge den Strom-Spannungsverlauf für Beleuchtungsstärken von 200 Lux, 600 Lux, 1000 Lux und 1500 Lux. Die Kurven 10 bis 40 haben alle einen ähnlichen Verlauf. In einem ersten Teilbereich sinkt der Strom mit zunehmender Spannung nur leicht ab. Beginnend ab etwa 3 Volt für die Kurve 40 und bei etwa 4 Volt für die anderen Kurven 10, 20 und 30 kommt es dann zu einem schnellen Abfallen des Stroms mit zunehmender Spannung, bis kein Strom mehr fließt.
Die 2 zeigt ein Kennlinienfeld derselben Solarzelle wie in 1 für die Solarzellenleistung. Es ist der Verlauf der von der Solarzelle abgegebenen Leistung über der Spannung dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist deshalb die Spannung in Volt abgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Leistung in Mikrowatt pro Quadratzentimeter abgetragen. Vier Kurven 50 bis 80 zeigen in dieser Reihenfolge den Spannungs-Leistungsverlauf für Beleuchtungsstärken von 200 Lux, 600 Lux, 1000 Lux und 1500 Lux. Die Kurven 50 bis 80 haben alle einen ähnlichen Verlauf, d. h. bis zu einem Maximum moderat ansteigend und dann wieder schneller abfallend.
Man erkennt jeweils ein Leistungsmaximum bei einer charakteristischen Spannung VMpp (MPP, Maximum Power Point) in Arbeitspunkten AP1, AP2, AP3 und AP4 für die Kurven 50, 60, 70 bzw. 80. Die Leistung an den Arbeitspunkten AP1, AP2, AP3 und AP4 wird in dieser Reihenfolge jeweils um etwa 15 bis 20 Mikrowatt je Quadratzentimeter größer. Der optimale Arbeitspunkt ist nun prinzipiell von der einfallenden Beleuchtungsstarke und der Temperatur abhängig. Bei der Sanyo-Solarzelle hat der Arbeitspunkt AP1 eine kleinere Spannung als der Arbeitspunkt AP2. Danach nimmt die zu den Arbeitspunkten gehörende Spannung wieder ab für die Arbeitspunkte AP3 und AP4.
Die 3 zeigt den gemessenen Verlauf des optimalen Arbeitspunktes (VMpp) einer anderen Solarzelle über der Beleuchtungsstärke. Diese Solarzelle ist für die Anwendung in energieautarken Systemen typisch. Auf der horizontalen Achse ist die Beleuchtung in Lux abgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Spannung abgetragen. Die Spannung wurde für Arbeitspunkte AP10 bis AP20 bei den gezeigten Beleuchtungsstärken gemessen. Eine Kurve 100 gilt für die Arbeitspunkte AP10 bis AP20. Die Kurve 100 hat zunächst einen stärker ansteigenden Verlauf, flacht dann ab, und hat ab etwa 600 Lux einen etwa gleichbleibenden Anstieg.
In der 3 ist eine Bezugsspannung VB gezeigt bei etwa 2,25 Volt. Die Bezugsspannung entspricht einer Grundspannung einer Vergleichs- bzw. Referenzspannung. Mit der unten an Hand der 7 erläuterten Schaltung wird die Kurve 100 durch eine Arbeitsgerade 110 angenähert. Durch das frequenzabhängig sequentielle Erhöhen einer Kondensatorladung wird die Referenzspannung und damit auch die Arbeitsspannung bei der Beleuchtung von 400 Lux bspw. um einen Spannungshub DV1 angehoben, die hier etwa 400 Millivolt beträgt. Bei einer Beleuchtung von 600 Lux ist die verwendete Frequenz höher, so dass mit demselben Kondensator ein größerer Spannungshub DV2 erreicht wird, hier von etwa 450 Millivolt.
Unten wird an Hand der 8 noch eine verfeinerte Schaltung erläutert, bei der oberhalb einer Unschaltspannung VU ein Kondensator mit kleinerem Kapazitätswert verwendet wird, so dass trotz größerer Frequenz ab einer Beleuchtung von bspw. 800 Lux ein Spannungshub zu einer Arbeitsgraden mit kleinerem Anstieg als die Arbeitsgerade 110 erreicht wird, siehe bspw. den Spannungshub DV3 bei 900 Lux. Diese Arbeitsgerade mit kleinerem Anstieg deckt sich genau mit dem oberhalb von 800 Lux liegenden Teil der Kurve 100 und wurde deshalb in der 3 nicht separat eingezeichnet.
Die 4 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung V einer Solarzelle abhängig von der Temperatur T. Auf der horizontalen Achse ist die Temperatur T in Grad Kelvin abgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Spannung in Volt abgetragen. Es ist ein typischer Temperaturverlauf entlang einer Geraden 122 zu sehen, die ein Gefälle von bspw. –2 mV/Kelvin hat. Arbeitspunkte AP30, AP32 und AP34 mit kleiner werdender Spannung gehören zu steigenden Temperaturen T.
Die 5 zeigt ein Arbeitsprinzip einer Regelung/Steuerung bei der ein Schaltregler bzw. eine Steuerung immer nur periodisch arbeitet, wenn eine optimale Spannung VMpp erreicht wird. Das Freigeben des Schaltreglers hat zur Folge, dass die Spannung am Eingang des Schaltreglers stark absinkt, bis zu einem durch eine Hysterese eines Komparators vorgegebenen Wert, an dem der Schaltregler ausgeschaltet wird. Das periodische Einschalten des Schaltreglers ermöglicht einen erheblich höheren Wirkungsgrad der Spannungswandlung als ein Dauerbetrieb.
5 zeigt durch eine sägezahnförmige Kurve 124 zwischen Zeitpunkten t1 und t2 den Betrieb bei einer geringen Beleuchtung der Solarzelle. Hier sind die Pausen zwischen dem Freigeben des Schaltwandlers bzw. Schaltreglers vergleichsweise groß, weil das Nachladen eines primären Energiespeichers vergleichsweise lange dauert.
Dagegen gibt es zwischen Zeitpunkten t3 und t4 eine stärkere Beleuchtung, was zu einer Verkürzung der Dauer der Sägezahnimpulse einer Kurve 126 führt. Der Spannungswandler wird wegen der schnelleren Aufladung des primären Energiespeichers entsprechend öfter beim Erreichen des Spannungswertes VMpp freigegeben.
Die 6 zeigt eine einfache Regel-Schaltung 130, bei der die Spannung an einer Solarzelle 130 auf eine näherungsweise konstante Spannung geregelt wird. Die Schaltung 130 enthält:

– ein Solarmodul 132 bzw. eine Solarzelle,
– einen Kondensator als Primärspeicher 134,
– einen Schaltregler 136,
– einen Sekundärspeicher 138, der ebenfalls einen Kondensator enthalten kann,
– einen Komparator 140, sowie
– eine Referenzspannungsquelle 142.

Es gibt die folgenden Verbindungen:

– eine Verbindung 150 zwischen dem Solarmodul 132 und dem Primärspeicher 134,
– eine Verbindung 152 zwischen dem Primärspeicher 134 und dem Schaltregler 136,
– eine Verbindung 154 zwischen dem Primärspeicher 134 und dem invertierenden Eingang des Komparators 140,
– eine Verbindung 156 zwischen dem Ausgang des Schaltreglers 136 und dem Eingang des Sekundärspeichers 138,
– eine Verbindung 158, an der die Ausgangsspannung Vout der Schaltung 130 liegt, und die bspw. zu einem Verbraucher führt, z. B. zu einem Sensor.
– eine elektrisch leitfähige Verbindung 159a zwischen dem Ausgang des Komparators 140 und einem Steueranschluss des Schaltreglers 136, und
– eine Verbindung 159b zwischen der Referenzspannungsquelle 142 und dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 140.

Masseverbindungen sind in 6 als Pfeile dargestellt. Auch im Schaltregler 136 und im Komparator 140 gibt es nicht dargestellte Masseverbindung, so dass der Betrieb der Schaltung 130 möglich ist.
Der Komparator 140 schaltet den Schaltregler 136 ein, sobald die Spannung am Primärspeicher 134 die Spannung Vref überschreitet. Mit einer Hysterese schaltet der Komparator 140 den Schaltregler 136 wieder aus, sobald die Spannung am Primarspeicher 134 wieder unter die durch die Hysterese eingestellte Spannung gesunken ist.
Die 7 zeigt eine erste Variante für eine bevorzugte Regel-Schaltung 230. Die Regel-Schaltung 230 wurde hier durch einen Schaltungsblock 242 ergänzt, der eine Referenzspannung Vref erzeugt, die mit der Temperatur und Beleuchtung variiert. Die Schaltung 230 enthält:

– ein Solarmodul 232 bzw. eine Solarzelle,
– einen Kondensator als Primärspeicher 234,
– einen Schaltregler 236,
– einen Sekundärspeicher 238, der ebenfalls einen Kondensator enthalten kann,
– einen Komparator 240, sowie
– einen Referenzspannungsschaltung 242.

Die Referenzspannungsschaltung 242 enthält:

– eine Diodenkette 244 aus drei in Reihe geschalteten Dioden, was auch der Anzahl der in Reihe geschalteten Solarzellen im Solarmodul 232 entspricht,
– eine Konstant-Stromquelle I1a, die in Reihe zu der Diodenkette 244 geschaltet ist,
– einen Kondensator C1a, der der Diodenkette 244 parallel geschaltet ist,
– einen Kondensator C2a, der eine kleinere Kapazität als der Kondensator C1a hat, bspw. kleiner als ein Fünftel, und
– eine Umschalteinheit S1a, die den Kondensator C2a abhängig von einem Steuersignal wahlweise mit dem einen Eingang oder mit dem anderen Eingang des Komparators 240 bzw. der Komparatoreinheit 240 verbindet.

Es gibt die folgenden Verbindungen:

– eine Verbindung 250 zwischen dem Solarmodul 232 und dem Primärspeicher 234,
– eine Verbindung 252 zwischen dem Primärspeicher 234 und dem Schaltregler 236,
– eine Verbindung 254 zwischen dem Primärspeicher 234 und dem invertierenden Eingang des Komparators 240,
– eine Verbindung 256 zwischen dem Ausgang des Schaltreglers 236 und dem Eingang des Sekundärspeichers 238,
– eine Verbindung 258, an der die Ausgangsspannung Vout der Schaltung 230 liegt, und die bspw. zu einem Verbraucher führt, z. B. zu einem Sensor,
– eine Verbindung 260 zwischen dem Ausgang des Primärspeichers 234 und einem ersten Anschluss der Konstant-Stromquelle I1a,
– eine Verbindung 262 zwischen dem Ausgang des Primärspeichers 234 und einem dritten Anschluss der Umschalteinheit S1a,
– eine Verbindung 264 zwischen der Konstant-Stromquelle I1a und der Diodenkette 244,
– eine Verbindung 266 zwischen der Verbindung 264 und dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 240,
– eine Verbindung 268 zwischen der Verbindung 266 und einem zweiten Anschluss der Umschalteinheit S1a,
– eine Verbindung 270 zum Anschließen eines Anschlusses des Kondensators C1a an die Verbindung 266,
– eine Verbindung 272 zwischen einem Anschluss des Kondensators C2a und einem ersten Anschluss der Umschalteinheit S1a,
– eine Verbindung 274 zwischen dem Ausgang des Komparators 240 und einem Steueranschluss des Schaltreglers 236, und
– eine Verbindung 276 zum Führen des Steuersignals zwischen dem Ausgang des Komparators 240 und einem Steueranschluss der Umschalteinheit S1a.

Masseverbindungen sind in 7 als Pfeile dargestellt. Auch im Schaltregler 236 und im Komparator 240 gibt es nicht dargestellte Masseverbindung, so dass der Betrieb der Schaltung 230 möglich ist.
Der erste Teil der Referenzgenerierung besteht aus der Diodenkette 244, dem Pufferkondensator C1a und der Stromquelle I1a. Diese Kombination erzeugt eine Spannung, die eine ähnliche Temperaturcharakteristik aufweist wie das Solarmodul 232.
Eine Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke wird durch die Kombination des Kondensators C2a mit einem Schalter bzw. der Umschalteinheit S1a erzeugt. Der Schalter bzw. die Umschalteinheit S1a wird durch das über die Verbindung 276 übertragene bzw. rückgekoppelte Ausgangssignal des Komparators 240 angesteuert und liefert einen zusätzlichen mittleren Strom zu Vref, der proportional zur Beleuchtungsstärke ist. Damit wird die Regelspannung Vref proportional zur Beleuchtungsstärke angehoben.
Das Ausführungsbeispiel in der 7 erlaubt eine lineare Reglung der Referenzspannung über der Beleuchtungsstärke.
Die 8 zeigt eine zweite Variante für eine bevorzugte Regelschaltung 330, welche eine genauere Nachbildung des idealen Zusammenhangs zwischen Referenzspannung und Beleuchtungsstärke ermöglicht, siehe 3, Werte größer als 800 Lux. In Abhängigkeit der Primärspeicherspannung, die über einen ADC (Analog Digital Converter) erfasst wird, z. B. mit 2 Bit Genauigkeit, wird eine geeignete Auswahl von Elementen eines Kondensatorfeldes C0 bis Cn getroffen und das ausgewählte Element wird mit der Umschalteinheit S1b verbunden. Hierbei ist n eine natürliche Zahl, die im Ausführungsbeispiel den Wert 4 hat. So können für verschiedene Bereiche der Beleuchtungsstärke unterschiedliche lineare Anstiege realisiert werden.
Bspw. wird bei kleineren Spannungen ein Kondensator mit einem größeren Kapazitätswert ausgewählt als bei größeren Spannungen, siehe 3, Werte größer als 800 Lux.
Die Schaltung 330 enthält:

– ein Solarmodul 332 bzw. eine Solarzelle,
– einen Kondensator als Primärspeicher 334,
– einen Schaltregler 336,
– einen Sekundärspeicher 338, der ebenfalls einen Kondensator enthalten kann,
– einen Komparator 340, sowie
– einen Referenzspannungsschaltung 342.

Die Referenzspannungsschaltung 342 enthält:

– eine Diodenkette 344 aus drei in Reihe geschalteten Dioden, was auch der Anzahl der in Reihe geschalteten Solarzellen im Solarmodul 332 entspricht,
– eine Konstant-Stromquelle I1b, die in Reihe zu der Diodenkette 344 geschaltet ist,
– einen Kondensator C1b, der der Diodenkette 344 parallel geschaltet ist,
– einen Kondensator C0, der eine kleinere Kapazität als der Kondensator C1b hat, bspw. kleiner als ein Fünftel,
– weitere Kondensatoren C1 bis Cn, z. B. C4, die an Stelle des Kondensators C0 ausgewählt werden können, wie unten noch näher erläutert wird,
– eine Umschalteinheit S1b, die ihren eigenen Eingang abhängig von einem Steuersignal wahlweise mit dem einen Eingang oder mit dem anderen Eingang des Komparators 340 bzw. der Komparatoreinheit 340 verbindet,
– eine Multiplexereinheit MUX, die abhängig von Auswahlsignalen einen ihrer Eingänge mit ihrem Ausgang verbindet, und
– einen Analog-Digital-Wandler ADC, der einen analogen Spannungswert an seinem Eingang in digitale Auswahlsignale an seinen Ausgängen umwandelt, die bspw. über mehrere parallel führende Leiterbahnen oder Leitbahnen zu Steuereingängen der Multiplexereinheit MUX geführt werden.

Es gibt die folgenden Verbindungen:

– eine Verbindung 350 zwischen dem Solarmodul 332 und dem Primärspeicher 334,
– eine Verbindung 352 zwischen dem Primärspeicher 334 und dem Schaltregler 336,
– eine Verbindung 354 zwischen dem Primärspeicher 334 und dem invertierenden Eingang des Komparators 340,
– eine Verbindung 356 zwischen dem Ausgang des Schaltreglers 336 und dem Eingang des Sekundärspeichers 338,
– eine Verbindung 358, an der die Ausgangsspannung Vout der Schaltung 330 liegt, und die bspw. zu einem Verbraucher führt, z. B. zu einem Sensor,
– eine Verbindung 360 zwischen dem Ausgang des Primärspeichers 334 und einem ersten Anschluss der Konstant-Stromquelle I1b,
– eine Verbindung 362 zwischen dem Ausgang des Primärspeichers 334 und einem dritten Anschluss der Umschalteinheit S1b,
– eine Verbindung 364 zwischen der Konstant-Stromquelle I1b und der Diodenkette 344,
– eine Verbindung 366 zwischen der Verbindung 364 und dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 340,
– eine Verbindung 368 zwischen der Verbindung 366 und einem zweiten Anschluss der Umschalteinheit S1b,
– eine Verbindung 370 zum Anschließen eines Anschlusses des Kondensators C1b an die Verbindung 366,
– eine Verbindung 372a zwischen einem Anschluss des Kondensators C0 und einem ersten Anschluss der Multiplexereinheit MUX,
– weitere Verbindungen 372b zwischen den Kondensatoren C1 bis Cn und jeweils einem weiteren Eingang der Multiplexereinheit MUX,
– eine Verbindung 374 zwischen dem Ausgang des Komparators 340 und einem Steueranschluss des Schaltreglers 336,
– eine Verbindung 376 zum Führen des Steuersignals zwischen dem Ausgang des Komparators 340 und einem Steueranschluss der Umschalteinheit S1b,
– eine Verbindung 380 zwischen der Verbindung 360 und dem Eingang des AD-Wandlers ADC,
– eine Verbindung bzw. mehrere Verbindungen 384 zwischen Ausgängen des AD-Wandlers ADC und Auswahl-Eingängen der Multiplexereinheit MUX, und
– eine Verbindung 386 zwischen dem Ausgang der Multiplexereinheit MUX und einem ersten Anschluss der Umschalteinheit S1b.

Masseverbindungen sind in 8 wieder als Pfeile dargestellt. Auch im Schaltregler 336 und im Komparator 340 gibt es nicht dargestellte Masseverbindung, so dass der Betrieb der Schaltung 330 möglich ist.
Alternativ kann an Stelle der Verbindung 380 auch eine Verbindung 382 verwendet werden, die von der Verbindung 366 zum Eingang des AD-Wandlers ADC führt.
Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass die Kondensatoren insbesondere Keramikkondensatoren sein können, die im Vergleich zu anderen Kondensatorarten kleine Leckströme haben und damit die zur Verfügung stehende Energie möglichst vollständig nutzen. Es werden auch sogenannte Superkondensatoren eingesetzt, mit denen sich hohe Kapazitätswerte und damit hohe Leistungsdichten erzielen lassen. Bspw. werden Superkondensatoren der Firma Maxwell eingesetzt.
Der Schaltregler ist bspw. ein Schaltregler von TI, z. B. der Schaltregler TSP63030 (Eingangsspannung 1,8 V bis 5,5 Volt, Ausgangsspannung 3,3 Volt). Es können jedoch auch Schaltregler mit noch kleinerem Leistungsverbrauch zum Einsatz kommen. Alternativ werden der Schaltregler und die Freigabeschaltung gemeinsam auf einem Chip integriert.
Die Umschalteinheit zum sukzessiven Aufladen des Hauptkondensators C1 wird bspw. aus zwei Feldeffekttransistoren gebildet.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Freigabe-Schaltungsanordnung (230, 330) für einen Spannungswandler (236, 336), mit einer Komparatoreinheit (240, 340), mit einem ersten Eingang, der zu einem ersten Eingang der Komparatoreinheit (240, 340) führt, mit einem Ausgang, der mit einem Ausgang der Komparatoreinheit (240, 340) verbunden ist, mit einer Vorgabeeinheit (242, 342), die einen Ausgang hat, der mit einem zweiten Eingang der Komparatoreinheit (240, 340) verbunden ist, und die einen Eingang hat der mit dem Ausgang der Komparatoreinheit (240, 340) oder mit einem zweiten Eingang der Schaltungsanordnung (230, 330) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (230, 330) nach Anspruch 1, wobei die Vorgabeeinheit (242, 342) einen ersten Kondensator (C1a, C1b) und einen zweiten Kondensator (C2a, C0 bis Cn) enthält, wobei ein erster Anschluss des ersten Kondensators (C1a, C1b) mit dem zweiten Eingang der Komparatoreinheit (240, 340) verbunden ist, wobei die Schaltungsanordnung (230, 330) eine Umschalteinheit (S1a, S1b) enthält, die abhängig von einem Signal (276) an einem Steuereingang der Umschalteinheit (S1a, S1b) wahlweise einen ersten Anschluss der Umschalteinheit (S1a, S1b) mit einem zweiten Anschluss der Umschalteinheit (S1a, S1b) oder den ersten Anschluss der Umschalteinheit (S1a, S1b) mit einem dritten Anschluss der Umschalteinheit (S1a, S1b) verbindet, wobei ein erster Anschluss des zweiten Kondensators (C2a, C0 bis Cn) mit dem ersten Anschluss der Umschalteinheit (S1a, S1b) verbunden ist oder über eine weitere Umschalteinheit (MUX) der Schaltungsanordnung (230, 330) verbindbar ist, wobei der zweite Anschluss der Umschalteinheit (S1a, S1b) mit dem zweiten Eingang der Komparatoreinheit (240, 340) verbunden ist, und wobei der Steuereingang der Umschalteinheit (S1a, S1b) mit dem Ausgang der Komparatoreinheit (240, 340) oder mit dem zweiten Eingang der Schaltungsanordnung (230, 330) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (230, 330) nach Anspruch 2, wobei die Kapazität des ersten Kondensators (C1a, C1b) mindestens fünf Mal so groß wie die Kapazität des zweiten Kondensators (C2a, C0 bis Cn) ist.
Schaltungsanordnung (330) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Vorgabeeinheit (342) einen dritten Kondensator (Cn) enthält, wobei die Umschalteinheit (S1b) eine erste Umschalteinheit (S1b) ist, wobei der Steuereingang (376) der ersten Umschalteinheit (S1b) ein erster Steuereingang ist, wobei die weitere Umschalteinheit (MUX) eine zweite Umschalteinheit (MUX) ist, die einen zweiten Steuereingang enthält, wobei der erste Eingang des zweiten Kondensators (C0) mit einem ersten Eingang der zweiten Umschalteinheit (MUX) verbunden ist, wobei ein erster Anschluss des dritten Kondensators (Cn) mit einem zweiten Eingang der zweiten Umschalteinheit (MUX) verbunden ist, und wobei ein Ausgang der zweiten Umschalteinheit (MUX) mit dem ersten Anschluss der ersten Umschalteinheit (S1b) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (330) nach Anspruch 4, wobei die Vorgabeeinheit (342) eine Spannungserfassungseinheit (ADC) enthält, die einen Ausgang hat, der mit dem zweiten Steuereingang verbunden ist, und die einen Eingang hat, der mit dem ersten Eingang der Schaltungsanordnung (330) oder mit dem zweiten Eingang der Komparatoreinheit (240, 340) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (330) nach Anspruch 5, wobei die Vorgabeeinheit (342) eine Frequenzerfassungseinheit enthält.
Schaltungsanordnung (230, 330) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komparatoreinheit (240, 340) eine Schaltung zur Erzeugung einer Schalthysterese enthält.
Schaltungsanordnung (230, 330) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorgabeeinheit (242, 342) eine Diodenstrecke (244, 344) oder mehrere in Reihe geschaltete Diodenstrecken (244, 344) enthält, an denen eine Grundspannung abgegriffen wird.
Schaltungsanordnung (230, 330) nach Anspruch 8, wobei die Schaltungsanordnung mit einem Spannungswandler (236, 336) verbunden ist, wobei der Spannungswandler (236, 336) eingangsseitig mit eine Solareinheit (232, 332) verbunden ist, die eine Solarzelle enthält, und wobei die Vorgabeeinheit (242, 342) eine Diodenstrecke enthält, oder wobei die Solareinheit (232, 332) mehrere in Reihe geschaltete Solarzellen enthält und die Anzahl der Diodenstrecken (244, 344) in der Vorgabeeinheit (242, 342) gleich der Anzahl der in Reihe geschalteten Solarzellen ist.
Spannungswandler (236, 336) mit einer Freigabe-Schaltungsanordnung (230, 330) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Freigeben eines Spannungswandlers (236, 336), bei dem am Ausgang einer Komparatoreinheit (240, 340) ein Signal (276, 376) abgegriffen und zum Verändern einer an der Komparatoreinheit (240, 340) anliegenden Vergleichsspannung (Vref) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei mit Hilfe des Signals die Vergleichsspannung (Vref) bei einer ersten Frequenz des Signals (276, 376) um einen ersten Wert erhöht wird und bei einer zweiten Frequenz um einen zweiten Wert, wobei die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz ist, und wobei der zweite Wert größer als der erste Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei abhängig von dem Signal ein Hilfskondensator (C2a, C0 bis Cn) mit einem Hauptkondensator (C1a, C1b) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei abhängig von einer Eingangsspannung der Komparatoreinheit (240, 340) einer von mindestens zwei Hilfskondensatoren (C0 bis Cn) mit voneinander verschiedenen Kapazitätswerten ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei abhängig von der Frequenz des Signals einer von mindestens zwei Hilfskondensatoren (C0 bis Cn) mit voneinander verschiedenen Kapazitätswerten ausgewählt wird.