DE102013105585B4 - Arrangement and method for generating a voltage - Google Patents

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Abstract

Anordnung zur Erzeugung einer Spannung, umfassend einen Wandler (2), welcher unter Nutzung eines piezoelektrischen Effekts eine elektrische Eingangswechselspannung (V(t)) erzeugt, und eine Interface-Anordnung (3), welche mit dem Wandler (2) verbunden ist und die im Wandler (2) erzeugte Eingangswechselspannung (V(t)) in eine Gleichspannung wandelt und zwischenspeichert und diese Gleichspannung als Ausgangsspannung (12, Ua) für einen Verbraucher an einem Ausgang der Interface-Anordnung (3) bereitstellt, wobei die Interface-Anordnung (3) einen Gleichrichter (11) aufweist, dessen Eingänge mit dem Wandler (2) verbunden sind und dessen Ausgänge mit einer Reihenschaltung bestehend aus einer Induktivität (7, L) und einem elektronischen Schalter (5) verbunden sind, dass ein erster Anschluss der Induktivität (7, L) mit einem ersten Anschluss einer Kapazität (10, Cs) und einem ersten Anschluss des Ausgangs (12) und ein zweiter Anschluss der Induktivität (7, L) über eine Diode (9) mit einem zweiten Anschluss einer Kapazität (10, Cs) und einem zweiten Anschluss des Ausgangs (12) der Interface-Anordnung (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (5) einen Steuereingang aufweist, welcher mit einer Ansteuerschaltung (13) zur Übertragung eines Ansteuersignals verbunden ist und dass die Spannungsversorgungsanschlüsse der Ansteuerschaltung (13) mit den Ausgängen des Gleichrichters (11) verbunden sind.Arrangement for generating a voltage, comprising a converter (2) which generates an electrical input alternating voltage (V (t)) using a piezoelectric effect, and an interface arrangement (3) which is connected to the converter (2) and the in the converter (2) generated AC input voltage (V (t)) converts into a DC voltage and buffered and this DC voltage as output voltage (12, Ua) provides for a consumer at an output of the interface arrangement (3), wherein the interface arrangement ( 3) has a rectifier (11) whose inputs are connected to the converter (2) and whose outputs are connected to a series circuit consisting of an inductance (7, L) and an electronic switch (5), that a first terminal of the inductance (7, L) having a first terminal of a capacitance (10, Cs) and a first terminal of the output (12) and a second terminal of the inductance (7, L) via a diode (9) having a m second terminal of a capacitance (10, Cs) and a second terminal of the output (12) of the interface arrangement (3) is connected, characterized in that the electronic switch (5) has a control input, which with a drive circuit (13) for the transmission of a drive signal is connected and that the voltage supply terminals of the drive circuit (13) are connected to the outputs of the rectifier (11).

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer Spannung, umfassend einen Wandler, welcher unter Nutzung eines piezoelektrischen Effekts eine elektrische Eingangswechselspannung (V(t)) erzeugt, und eine Interface-Anordnung, welche mit dem Wandler verbunden ist und die im Wandler erzeugte Eingangswechselspannung (V(t)) in eine Gleichspannung (Ua) wandelt, zwischenspeichert und diese Gleichspannung (Ua) als Ausgangsspannung für einen Verbraucher an einem Ausgang der Interface-Anordnung bereitstellt, wobei die Interface-Anordnung einen Gleichrichter aufweist, dessen Eingänge mit dem Wandler verbunden sind und dessen Ausgänge mit einer Reihenschaltung bestehend aus einer Induktivität und einem elektronischen Schalter verbunden sind, wobei ein erster Anschluss der Induktivität mit einem ersten Anschluss einer Kapazität und einem ersten Anschluss des Ausgangs und ein zweiter Anschluss der Induktivität über eine Diode mit einem zweiten Anschluss einer Kapazität und einem zweiten Anschluss des Ausgangs der Interface-Anordnung verbunden istThe invention relates to an arrangement for generating a voltage, comprising a converter which generates an electrical input alternating voltage (V (t)) using a piezoelectric effect, and an interface arrangement which is connected to the converter and the input AC voltage generated in the converter ( V (t)) converts into a DC voltage (U a ), caches and this DC voltage (U a ) provides as an output voltage for a consumer at an output of the interface arrangement, wherein the interface arrangement comprises a rectifier whose inputs to the converter are connected and whose outputs are connected to a series circuit consisting of an inductance and an electronic switch, wherein a first terminal of the inductor having a first terminal of a capacitor and a first terminal of the output and a second terminal of the inductance via a diode having a second terminal a capacity and a m is connected to the second terminal of the output of the interface arrangement

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erzeugung einer Spannung, welche mittels eines piezoelektrischen Effekts erzeugt wird, wobei die derart erzeugte elektrische Eingangswechselspannung (V(t)) mittels einer Interface-Anordnung gleichgerichtet, gespeichert und als Ausgangsspannung (Ua) für einen anschließbaren Verbraucher bereitgestellt wird, wobei zumindest bei einem Nulldurchgang der elektrischen Eingangswechselspannung (V(t)) eine Verbindung zwischen der Eingangswechselspannung (V(t)) und einem aus einem induktiven und einem kapazitiven Element bestehenden Energiespeichermittel getrennt wird, dass diese Trennung bei einem Erreichen eines Maximums oder Minimums (Minimum – für die Amplitude der negativen Halbwelle von V(t)) der Eingangswechselspannung (V(t)) zu einem Zeitpunkt t1 aufgehoben und ein Ladevorgang des Energiespeichermittels gestartet wird.The invention also relates to a method for generating a voltage which is generated by a piezoelectric effect, wherein the electrical input AC voltage thus generated (V (t)) in the same direction, stored, and as the output voltage (U a) for a connectable consumer by means of an interface arrangement is provided, wherein at least at a zero crossing of the electrical input alternating voltage (V (t)) a connection between the input AC voltage (V (t)) and an inductive and a capacitive element energy storage means is separated, that this separation when reaching a maximum or Minimums (minimum - for the amplitude of the negative half-wave of V (t)) of the input AC voltage (V (t)) at a time t 1 canceled and a charging of the energy storage means is started.

Die Erfindung ist in das Forschungsgebiet „Energy Harvesting” einzuordnen. Inhalt dieses Forschungsgebiet ist es, kleine, portable elektrische Systeme, wie beispielsweise einen Funksensorknoten zur Strukturüberwachung eines Bauteils, mit Energie aus dessen direkter Umgebung zu versorgen.The invention belongs to the field of research "Energy Harvesting". Content of this research area is to supply small, portable electrical systems, such as a radio sensor node for structural monitoring of a component, with energy from its immediate environment.

Mögliche Energieformen, die auf einfache Weise in elektrische Energie umgewandelt werden können, sind Solarenergie im Bereich der Fotovoltaik, thermische Energie beispielsweise mittels eines Thermoelements und mechanische Energie beispielsweise mittels eines piezoelektrischen Wandlers.Possible forms of energy which can be converted into electrical energy in a simple manner are solar energy in the field of photovoltaics, thermal energy, for example by means of a thermocouple, and mechanical energy, for example by means of a piezoelectric transducer.

Da die Energie üblicherweise von einer Wechselsignalquelle bereitgestellt wird, besteht ein elektrisches Interface im einfachsten Fall nur aus einem Zweiweggleichrichter (Standard-Interface), an dessen Eingang der Wandler und an dessen Ausgang das Speicherelement angeschlossen wird. Bei diesem Interface kann die maximal erzeugte Energie nur von Wandlern mit sehr hohen Koppelfaktoren extrahiert werden.Since the energy is usually provided by an AC signal source, an electrical interface consists in the simplest case only of a full-wave rectifier (standard interface), at the input of the converter and at the output of the memory element is connected. With this interface, the maximum energy generated can only be extracted by converters with very high coupling factors.

Um die maximal bereitgestellte Energie von Wandler mit geringer Kopplung zu entnehmen, wird das in A. Badel, D. Guyomar, E. Lefeuvre, and C. Richard, ”Efficiency Enhancement of a Piezoelectric Energy Harvesting Device in Pulsed Operation by Synchronous Charge Inversion,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol 16, pp. 889–901, 2005 vorgestellte Synchronized Switch Harvesting an Inductor(SSHI)-Interface verwendet.In order to derive the maximum energy provided by low coupling transducers, A. Badel, D. Guyomar, E. Lefeuvre, and C. Richard, "Efficiency Enhancement of a Piezoelectric Energy Harvesting Device in Pulsed Operation by Synchronous Charge Inversion," "Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol 16, pp. 889-901, 2005 featured Synchronized Switch Harvesting on Inductor (SSHI) interface.

Bei Wandlern mit mittleren Koppelfaktoren wird das in E. Lefeuvre, A. Badel, C. Richard, and D. Guyomar, ”Piezoelectric Energy Harvesting Device Optimization by Synchronous Electric Charge Extraction,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 16, pp. 865–876, 2005 vorgestellte Synchronous Electric Charge Extraction(SECE)-Interface eingesetzt, welches außerdem unabhängig vom Arbeitspunkt der angeschlossenen Last ist.In converters with intermediate coupling factors, the method described in E. Lefeuvre, A. Badel, C. Richard, and D. Guyomar, "Piezoelectric Energy Harvesting Device Optimization by Synchronous Electric Charge Extraction," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 16, pp. 865-876, 2005, which is also independent of the operating point of the connected load.

Darüber hinaus gibt es noch das Double Synchronized Switch Harvesting(DSSH)-Interface, welches in M. Lallart, L. Garbuio, L. Petit, C. Richard, D. Guyomar, ”Double Synchronized Switch Harvesting (DSSH): A new energy harvesting scheme for efficient energy extraction,” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectrics Freq. Contr., vol 55, pp. 2119–2130, 2008 beschrieben ist und das Enhanced Synchronized Switch Harvesting(ESSH)-Interface, offenbart in H. Shen, J. Qiu, H. Ji, K. Zhu, M. Balsi, ”Enhanced synchronized switch harvesting: A new energy harvesting scheme for efficient energy extraction.” Smart Mater. Struct., 115017, 2010.In addition, there is the Double Synchronized Switch Harvesting (DSSH) interface, which is described in M. Lallart, L. Garbuio, L. Petit, C. Richard, D. Guyomar, "Double Synchronized Switch Harvesting (DSSH): A new energy harvesting scheme for efficient energy extraction, "IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectrics Freq. Contr., Vol 55, pp. 2119-2130, 2008, and the Enhanced Synchronized Switch Harvesting (ESSH) interface disclosed in H. Shen, J. Qiu, H. Ji, K. Zhu, M. Balsi, "Enhanced synchronized switch harvesting: A new energy harvesting scheme for efficient energy extraction. "Smart Mater. Struct., 115017, 2010.

Beide Verfahren basieren auf einer Kombination aus SSHI- und SECE-Interface, um deren Vorteile zu kombinieren. Eine nahezu vollständige Übersicht aller möglichen Interface-Schaltungen aus dem in diesem Gebiet bekannten Stand der Technik findet sich in D. Guyomar, M. Lallart, ”Recent Progress in Piezoelectric Conversion and Energy Harvesting Using Nonlinear Electronic Interfaces and Issues in Small Scale Implementation” Micromachines, vol. 2, pp. 274–294, 2011.Both methods are based on a combination of SSHI and SECE interface to combine their advantages. An almost complete overview of all possible interface circuits from the prior art known in the art can be found in D. Guyomar, M. Lallart, "Recent Progress in Piezoelectric Conversion and Energy Harvesting Using Nonlinear Electronic Interfaces and Issues in Small Scale Implementation "Micromachines, vol. 2, pp. 274-294, 2011.

Das Standard- und SSHI-Interface haben den großen Nachteil, dass die erzeugte Leistung abhängig vom Arbeitspunkt der Last (Speicherelement und/oder Verbraucher) ist. Das SECE-Interface hingegen liefert eine vom Lastelement unabhängige Leistung.The standard and SSHI interface have the great disadvantage that the power generated is dependent on the operating point of the load (memory element and / or consumer). The SECE interface, on the other hand, provides power independent of the load element.

Das Standard-, SSHI-, und das SECE-Interface haben den Nachteil, dass die maximal bereitgestellte Leistung des Wandlers von dessen Koppelfaktor abhängt. Demzufolge ist es notwendig, den Energiewandler an die speziellen Eigenschaften dieser Interface-Schaltungen anzupassen. Diese Einschränkung beim Entwurf des Wandlers führt dazu, dass das Gesamtsystem durch die Wandlercharakteristik limitiert ist. Außerdem verhindern die Herstellungstoleranzen des Wandlers eine optimale Anpassung an die jeweilige Interface-Schaltung.The standard, SSHI, and SECE interfaces have the disadvantage that the maximum power provided by the converter depends on its coupling factor. Consequently, it is necessary to adapt the energy converter to the specific characteristics of these interface circuits. This limitation in the design of the converter leads to the fact that the overall system is limited by the transducer characteristic. In addition, the manufacturing tolerances of the converter prevent optimal adaptation to the respective interface circuit.

Beim DSSH- sowie beim ESSH-Interface werden das SSHI- und das SECE-Interface kombiniert. Beide Verfahren sind unabhängig von der Last und können an Wandler beliebiger Kopplung angepasst werden.The DSSH and ESSH interfaces combine the SSHI and SECE interfaces. Both methods are independent of the load and can be adapted to converters of any coupling.

Der Nachteil dieser kombinierten Verfahren besteht in der doppelten Anzahl von verlustbehafteten Bauelementen gegenüber dem normalen SECE-Interface. Auch die Ansteuerelektronik ist beim DSSH- und ESSH-Interface komplexer als beim klassischen SECE-Interface. Die große Anzahl verlustbehafteter Bauelemente und die komplexe Ansteuerlogik mit hohem Eigenenergieverbrauch führen zu einem geringen Wirkungsgrad.The disadvantage of these combined methods is the double the number of lossy components compared to the normal SECE interface. The control electronics are more complex with the DSSH and ESSH interface than with the classic SECE interface. The large number of lossy components and the complex control logic with high own energy consumption lead to a low efficiency.

Aus D. GUYOMAR, M. LALLART: Recent Progress in Piezoelectric Conversion and Energy Harvesting Using Nonlinear Electronic Interfaces and Issues in Small Scale Implementation. In: Micromachines, 2011, 274–294 sind eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 bekannt.From D. GUYOMAR, M. LALLART: Recent Progress in Piezoelectric Conversion and Energy Harvesting Using Nonlinear Electronic Interfaces and Issues in Small Scale Implementation. In: Micromachines, 2011, 274-294 an arrangement according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 5 are known.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Anordnung und Verfahren zur Erzeugung einer Spannung anzugeben, womit unabhängig von der Last und dem eingesetzten Wandler die Leistungsausbeute zur Speisung der angeschlossenen Last maximiert wird.Thus, the object of the invention is to provide an arrangement and method for generating a voltage, which is independent of the load and the converter used, the power output for feeding the connected load is maximized.

Weiterhin soll der Eigenverbrauch der Wandler-Anordnung minimiert und somit der Wirkungsgrad verbessert werden.Furthermore, the self-consumption of the transducer assembly is to be minimized and thus the efficiency can be improved.

Bei einer Anordnung zur Erzeugung einer Spannung wird daher vorgeschlagen, dass der elektronische Schalter einen Steuereingang aufweist, welcher mit einer Ansteuerschaltung zur Übertragung eines Ansteuersignals verbunden ist und dass die Spannungsversorgungsanschlüsse der Ansteuerschaltung mit den Ausgängen des Gleichrichters verbunden sind.In an arrangement for generating a voltage is therefore proposed that the electronic switch has a control input, which is connected to a drive circuit for transmitting a drive signal and that the power supply terminals of the drive circuit are connected to the outputs of the rectifier.

Der Schalter der Interface-Anordnung ist ein mit einem Steuersignal ansteuerbarer elektronischer Schalter. Das den Schalter steuernde Steuersignal wird von einer Ansteuerschaltung erzeugt, welche mit ihrem Steuerausgang mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters verbunden ist. Die Erzeugung des Steuersignals erfolgt gemäß des in dieser Beschreibung dargestellten Verfahrens.The switch of the interface arrangement is a controllable with a control signal electronic switch. The control signal controlling the switch is generated by a drive circuit which is connected with its control output to the control input of the electronic switch. The generation of the control signal is carried out according to the method shown in this description.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ansteuerschaltung einen Spannungsteiler, einen elektronischen Schalter, einen Komparator, einen Maximumdetektor und ein Logikgatter aufweist.In one embodiment of the invention, it is provided that the drive circuit has a voltage divider, an electronic switch, a comparator, a maximum detector and a logic gate.

Ein erster Eingang der Ansteuerschaltung ist mit dem Spannungsausgang der Gleichrichteranordnung verbunden. Innerhalb der Ansteuerschaltung ist dieser Eingang mit dem Maximumdetektor, einem ersten Eingang eines Komparators und einem ersten Anschluss eines elektronischen Schalter P1 verbunden. Der Maximumdetektor weist einen Ausgang aus, welcher mit einem ersten Eingang eines Logikgatters verbunden ist. Der Ausgang dieses Logikgatters ist mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters der Interface-Anordnung und dem Steuereingang des elektronischen Schalter P1, welcher innerhalb der Ansteuerschaltung angeordnet ist, verbunden.A first input of the drive circuit is connected to the voltage output of the rectifier arrangement. Within the drive circuit, this input is connected to the maximum detector, a first input of a comparator and a first terminal of an electronic switch P1. The maximum detector has an output which is connected to a first input of a logic gate. The output of this logic gate is connected to the control input of the electronic switch of the interface arrangement and the control input of the electronic switch P1, which is arranged within the drive circuit.

Der zweite Anschluss des elektronischen Schalters P1 ist über einen Spannungsteiler mit dem zweiten Anschluss der Gleichrichteranordnung verbunden. Der Mittelabgriff des Spannungsteilers ist mit einem zweiten Eingang des Komparators verbunden.The second terminal of the electronic switch P1 is connected via a voltage divider to the second terminal of the rectifier arrangement. The center tap of the voltage divider is connected to a second input of the comparator.

In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass der Spannungsteiler ein kapazitiver Spannungsteiler ist. In a particular embodiment it is provided that the voltage divider is a capacitive voltage divider.

In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Logikgatter ein RS-Flipflop ist.In one embodiment of the invention it is provided that the logic gate is an RS flip-flop.

Der Spannungsteile kann mittels zweier einstellbarer Kapazitäten ausgeführt werden, da die Eingangsspannung V(t) eine Wechselspannung ist. Durch das Verändern der Werte der einstellbaren Kapazitäten kann der Zeitpunkt zur Erzeugung eines Steuersignals zum Öffnen des elektronischen Schalters in der Interface-Anordnung genau eingestellt werden.The voltage part can be implemented by means of two adjustable capacitances, since the input voltage V (t) is an alternating voltage. By varying the values of the adjustable capacitances, the timing for generating a control signal for opening the electronic switch in the interface arrangement can be accurately adjusted.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Ladevorgang des Energiespeichermittels in einem Zeitpunkt t2' vor dem Erreichen des Nulldurchgangs der Eingangswechselspannung (V(t)) abgebrochen wird.In one embodiment, it is provided that the charging process of the energy storage device is terminated at a time t 2 'before reaching the zero crossing of the input AC voltage (V (t)).

Das klassische SECE-Verfahren wird derart modifiziert, sodass das Leistungsoptimum für beliebige als Verbraucher angeschlossene Lasten und Koppelfaktoren, zwischen dem Wandler und der Interface-Anordnung, eingestellt werden kann.The classical SECE method is modified in such a way that the power optimum for any loads and coupling factors connected as load, between the converter and the interface arrangement, can be adjusted.

Gemäß der Erfindung wird das in einem SECE-Interface übliche Schaltmittel mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuert. An dem prinzipiellen Aufbau des SECE-Interface selbst ändert sich nichts. Beim klassischen SECE-Interface wird ein Schalter als Schaltmittel eingesetzt und immer dann geschlossen, wenn die Eingangswechselspannung V(t) an den Wandlerklemmen maximal wird, und gleich danach, wenn die Spannung V(t) an den Wandlerklemmen Null wird, wieder geöffnet. Durch dieses Ansteuerverfahren tritt das Leistungsmaximum nur bei Wandlern mit einem bestimmten Kopplungsfaktor (Wandlerkenngröße) auf.According to the invention, the switching means customary in a SECE interface is controlled by means of the method according to the invention. Nothing changes in the basic structure of the SECE interface itself. In the classic SECE interface, a switch is used as the switching means and closed whenever the input AC voltage V (t) at the converter terminals becomes maximum, and then immediately after the voltage V (t) at the converter terminals becomes zero. By this driving method, the maximum power occurs only with converters with a certain coupling factor (converter characteristic).

Bei dem hier vorgestellten, erfindungsgemäß verbesserten SECE-Interface ist der Zeitpunkt des Öffnens des Schaltmittels nicht auf den Nulldurchgang der Spannung V(t) an den Wandlerklemmen festgelegt. Der elektronische Schalter wird im erfindungsgemäßen SECE-Interface zu einem Zeitpunkt geöffnet, in welchem die Klemmenspannung des Wandlers V(t) einen bestimmten, einstellbaren Wert erreicht. Dadurch kann das Leistungsmaximum zu anderen Koppelfaktoren hin verschoben werden. Daraus ergibt sich ein zusätzlicher Freiheitsgrad beim Entwurf des Wandlers für ein SECE-Interface.In the here presented, improved SECE interface according to the invention, the time of opening of the switching means is not set to the zero crossing of the voltage V (t) at the converter terminals. The electronic switch is opened in the SECE interface according to the invention at a time in which the terminal voltage of the converter V (t) reaches a specific, adjustable value. As a result, the power maximum can be shifted to other coupling factors. This results in an additional degree of freedom in the design of the converter for a SECE interface.

Das SECE-Interface kann durch die erfindungsgemäße Ansteuerung mit nahezu beliebigen Wandlern, hinsichtlich des erreichbaren Koppelfaktors, als auch beliebigen Systemen, welche die anzuschließende Last darstellen, derart betrieben werden, dass eine maximale Leistung erreicht wird.The SECE interface can be operated by the inventive control with almost any converters, in terms of achievable coupling factor, as well as any systems that represent the load to be connected, so that maximum performance is achieved.

Durch die Anpassung des SECE-Interface an Wandler mit nahezu beliebigem Koppelfaktor, können nun beide unabhängig voneinander entworfen und optimiert werden.By adapting the SECE interface to converters with almost any coupling factor, both can now be designed and optimized independently of each other.

Die geringe Anzahl von Bauelementen und der geringe Eigenverbrauch des SECE-Interface selbst erlauben einen hohen Wirkungsgrad und erweitern den möglichen Einsatzraum hin zu energieautarken Systemen. Dies sind Systeme, die nur sehr wenig Leistung erzeugen können und verbrauchen sollen, beispielsweise bei aufgrund von Platzbeschränkung oder geringer bzw. seltener Anregung des Wandlers.The small number of components and the low self-consumption of the SECE interface itself allow a high degree of efficiency and expand the possible application space towards energy self-sufficient systems. These are systems that can and should consume very little power, for example due to space constraints or low or rare excitation of the converter.

Weiterhin führt eine reduzierte Anzahl von Bauelementen zu einer Verringerung der Herstellkosten. Auch die Realisierung eines solchen Systems als integrierte Schaltung wird dadurch (Reduzierung Anzahl der Anschlüsse) begünstigt. Außerdem wird die Robustheit des Systems durch die reduzierte Anzahl von Bauelementen erhöht, da weniger potentielle Fehlerquellen, wie beispielsweise kalte Lötstellen, vorhanden sind.Furthermore, a reduced number of components leads to a reduction in manufacturing costs. The implementation of such a system as an integrated circuit is thereby favored (reducing the number of connections). In addition, the robustness of the system is increased by the reduced number of components, since there are fewer potential sources of error, such as cold solder joints.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zeitpunkt t2' einstellbar ist.In one embodiment of the invention, it is provided that the time t 2 'is adjustable.

Das Verfahren sieht vor, dass der Abschaltzeitpunkt für den Ladevorgang des Energiespeichermittels beliebig einstellbar ist. Derart kann eine Anpassung an verschiedene Koppelfaktoren, beispielsweise zwischen einem Piezowandler und der Interface-Anordnung, erreicht werden. Da die Piezowandler auch bei Anwendung des gleichen Herstellungsverfahrens mit den gleichen Herstellungsschritten in ihren Parametern voneinander abweichen, kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine optimale Anpassung erreicht werden.The method provides that the switch-off for the charging of the energy storage means is arbitrarily adjustable. In this way, adaptation to different coupling factors, for example between a piezo transducer and the interface arrangement, can be achieved. Since the piezoelectric transducers deviate from one another in their parameters even when the same production method is used with the same production steps, optimum adaptation can be achieved by means of the method according to the invention.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Zeitpunkt t2' entsprechend der Größe einer gewünschten Restspannung V(t2') nach V(t2') = qVM mit einem Faktor q im Bereich zwischen Null und Eins einstellbar ist.In one embodiment, it is provided that the time t 2 'can be set according to the magnitude of a desired residual voltage V (t 2 ') to V (t 2 ') = qV M with a factor q in the range between zero and one.

Es ist vorgesehen, den Schaltzeitpunkt t2' entsprechend einer gewünschten Restspannung der Eingangswechselspannung V(t) auszuwählen. Zu diesem Zweck kann ein Verhältnis der momentanen Spannung im Moment des Schaltens des elektronischen Schalters zur Unterbrechung des Ladevorgangs des Energiespeichermittels und der maximalen Amplitude VM der Eingangswechselspannung V(t) gebildet werden. Mit Einführung eine Faktors q, welcher den Wertebereich zwischen Null und Eins annehmen kann lässt sich dieses Verhältnis gemäß V(t2') = qVM darstellen. It is intended to select the switching time t 2 'according to a desired residual voltage of the input AC voltage V (t). For this purpose, a ratio of the instantaneous voltage at the moment of switching the electronic switch to interrupt the charging of the energy storage means and the maximum amplitude V M of the input AC voltage V (t) may be formed. By introducing a factor q, which can assume the value range between zero and one, this ratio can be represented according to V (t 2 ') = qV M.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Faktor q mittels eines kapazitiven Spannungsteilungsmittels gemäß q = C2/(C1 + C2) einstellbar ist.In a further embodiment, it is provided that the factor q can be set by means of a capacitive voltage division means according to q = C 2 / (C 1 + C 2 ).

Eine mögliche Realisierung zur Einstellung des Schaltzeitpunkts t2' liegt in der Nutzung eines kapazitiven Spannungsteilers, über welchem die Eingangswechselspannung (V(t)) zumindest mittelbar anlegbar ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin die Eingangswechselspannung (V(t)) vor dem Anlegen an den Spannungsteiler gleichzurichten.One possible realization for setting the switching time t 2 'is the use of a capacitive voltage divider, via which the input AC voltage (V (t)) can be applied at least indirectly. Another possibility is to rectify the AC input voltage (V (t)) before applying to the voltage divider.

Der Faktor q kann immer durch das Verhältnis der Kapazitäten gemäß q = C2/(C1 + C2) eingestellt werden.The factor q can always be set by the ratio of the capacities according to q = C 2 / (C 1 + C 2 ).

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawings shows

1 ein Feder-Masse-System-Modell zur Modellierung eines Piezowandlers aus dem Stand der Technik, 1 a spring-mass-system model for modeling a piezoelectric transducer from the prior art,

2 eine Darstellung eines SECE-Interface mit einem Teil eines Piezowandlermodells aus dem Stand der Technik, 2 a representation of a SECE interface with a part of a Piezowandlermodells from the prior art,

3 eine Darstellung eines Strom-Zeit-Verlaufs für den Strom Ip(t) für den Strom der Piezowandler-Quelle und eine Darstellung eines Spannungs-Zeit-Verlaufs der Ausgangsspannung V(t) des Piezowandlers, 3 a representation of a current-time curve for the current I p (t) for the current of the piezo transducer source and a representation of a voltage-time curve of the output voltage V (t) of the piezoelectric transducer,

4 eine Darstellung des normierten Verhältnisses zwischen den Leistungen P und Pmax in Abhängigkeit der Parameter/Materialeigenschaften des Piezowandlers, 4 a representation of the normalized ratio between the powers P and P max as a function of the parameters / material properties of the piezoelectric transducer,

5 eine Darstellung eines Spannungs-Zeit-Verlaufs der Ausgangsspannung V(t) des Piezowandlers bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens für das Schaltmittel, 5 a representation of a voltage-time curve of the output voltage V (t) of the piezoelectric transducer in the application of the control method according to the invention for the switching means,

6 eine weitere Darstellung des normierten Verhältnisses zwischen den Leistungen P und Pmax in Abhängigkeit der Parameter/Materialeigenschaften des Piezowandlers bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens für das Schaltmittel mit verschiedenen Werten des Faktors q (q = 0, q = 0,4, und q = 0,7), 6 a further representation of the normalized ratio between the powers P and P max as a function of the parameters / material properties of the piezoelectric transducer in the application of the control method according to the invention for the switching means with different values of the factor q (q = 0, q = 0.4, and q = 0.7),

7 eine erfindungsgemäße Realisierung einer Ansteuerschaltung mittels einer Ansteuerschaltung und 7 an inventive realization of a drive circuit by means of a drive circuit and

8 eine weitere erfindungsgemäße Realisierung einer Ansteuerschaltung mit einer Darstellung der in der Ansteuerschaltung eingesetzten Elemente. 8th a further realization of a drive circuit according to the invention with a representation of the elements used in the drive circuit.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, mit dem die von einem angeregten Wandler bereitgestellte elektrische Energie mit möglichst hohem Wirkungsgrad einem Speicherbauelement (großer Kondensator oder Akku) oder einem Verbraucher direkt zu Verfügung gestellt werden soll. Es können beliebige Energiequellen genutzt werden, solange sich das elektrische Teilsystem des Wandlers oder der Quelle als hochohmige Wechselsignalquelle modellieren lässt. Diese Schaltung, die dieses Verfahren realisiert, wird im Folgenden als Interface bezeichnet.The invention relates to a method by which the electrical energy provided by an excited converter with the highest possible efficiency of a memory device (large capacitor or battery) or a consumer should be made available directly. It can be used any energy sources, as long as the electrical subsystem of the converter or the source can be modeled as a high-impedance alternating signal source. This circuit, which implements this method, is referred to below as an interface.

Zunächst werden die Grundlagen zur Herleitung des aus dem Stand der Technik bekannten SECE-Verfahrens (Synchronous Electric Charge Extraction) beschrieben.First, the basics for the derivation of the known from the prior art SECE method (Synchronous Electric Charge Extraction) will be described.

Ein Piezowandler lässt sich als Feder-Masse-System, wie in der 1 abgebildet, modellieren. Das elektrische Teilsystem des Piezowandlers 2 kann als Kapazität CP 6 mit parallelgeschalteter Wechselstromquelle αu . 4 modelliert werden. Diese Stromquelle 4 wird über den elektromechanischen Wandlungskoeffizienten α von der Geschwindigkeit der Auslenkung u . des Piezowandlers gesteuert. D. h. auf der Kapazität Cp 6 entsteht eine elektrische Ladung die proportional zur Auslenkung u des Piezowandlers 2 ist, was dem piezoelektrischen Effekt entspricht. Die Frequenz der Wechselstromquelle 4 entspricht der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers.A piezo transducer can be used as a spring-mass system, as in the 1 imaged, model. The electrical subsystem of the piezo converter 2 can as a capacitance C P 6 with parallel-connected AC power source αu. 4 are modeled. This power source 4 is about the electromechanical Conversion coefficients α from the speed of the deflection u. controlled by the piezoelectric transducer. Ie. on the capacitance C p 6, an electrical charge is generated which is proportional to the deflection u of the piezoelectric transducer 2 is what corresponds to the piezoelectric effect. The frequency of the AC source 4 corresponds to the resonant frequency of the piezoelectric transducer.

Dieses System kann durch ein Differentialgleichungssystem aus (1) und (2) beschrieben werden: F(t) = M·ü(t) + C·u .(t) + K·u(t) + α·V(t), (1) I(t) = α·u .(t) – CP·V .(t). (2) This system can be described by a differential equation system of (1) and (2): F (t) = M * ü (t) + C * u (t) + K * u (t) + α * V (t), (1) I (t) = α * u (t) -C P * V (t). (2)

Hierbei werden die nachfolgend beschriebenen Symbole verwendet:

M
– Masse
K
– Federkonstante
C
– mechanischer Verlustkoeffizient (Reibungskoeffizient)
α
– Wandlungskoeffizient
CP
– Piezowandlerkapazität
F(t)
– Kraft,
u(t)
– Auslenkung,
I(t)
– Ausgangsstrom,
V(t)
– Ausgangsspannung
The following symbols are used:
M
- Dimensions
K
- Spring constant
C
- mechanical loss coefficient (friction coefficient)
α
- conversion coefficient
C P
- Piezo converter capacity
F (t)
- Force,
u (t)
- deflection,
I (t)
Output current,
V (t)
- Output voltage

Die in der 2 dargestellte Anordnung zur Erzeugung einer Spannung 1 umfasst ein elektrisches SECE-Interface 2 und ein mit diesem verbundenen Piezowandler 5, welcher nur vereinfacht in der 2 dargestellt ist.The in the 2 illustrated arrangement for generating a voltage 1 includes an electrical SECE interface 2 and a piezo-transducer connected to it 5 which only simplifies in the 2 is shown.

Die für die Herleitung notwendigen Signalverläufe sind in der 3 dargestellt.The signal curves necessary for the derivation are in the 3 shown.

Für die Herleitung wurden folgende Annahmen getroffen:

  • • alle Dioden haben eine Schwellspannung von 0 V
  • • alle Bauelemente sind verlustlos
  • • der Wandler wird mit einer sinusförmigen Kraft F(t) mit der Amplitude FM bei seiner Resonanz betrieben
  • • Aufgrund der Filterwirkung des Feder-Masse-Systems wird angenommen, dass die Auslenkung u(t) und damit auch die Geschwindigkeit der Auslenkung u .(t) ebenfalls sinusförmige Signale sind, obwohl durch den Schaltbetrieb Oberwellen auf V(t) erzeugt werden.
  • • Es wird angenommen, dass das Zeitintervall [t1...t2] sehr klein gegenüber der Schwingungsperiode des Piezowandlers ist. Das Intervall [t1...t2] in der 3 ist lediglich zu Erklärungszwecken vergrößert dargestellt.
The following assumptions were made for the derivation:
  • • all diodes have a threshold voltage of 0V
  • • all components are lossless
  • • The transducer is operated with a sinusoidal force F (t) with the amplitude F M at its resonance
  • • Due to the filtering effect of the spring-mass system, it is assumed that the deflection u (t) and thus also the speed of the deflection and (t) are also sinusoidal signals, although harmonics are generated at V (t) by the switching operation.
  • • It is assumed that the time interval [t1 ... t2] is very small compared to the oscillation period of the piezo converter. The interval [t1 ... t2] in the 3 is shown enlarged only for explanatory purposes.

Vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 ist der Schalter 5 geöffnet, sodass sich der Wandler 2 im Leerlauf befindet. In dieser Zeit baut sich eine Ladung und damit eine Spannung V(t) auf der Piezowandlerkapazität CP 6 auf. Zum Zeitpunkt t1 wird diese Spannung V(t), wie in der 3 dargestellt, maximal und damit auch die Energie auf CP 6. Zum Zeitpunkt t1 wird dann der Schalter 5 geschlossen, wodurch die Kapazität CP 6 und die Spule L 7, über den Gleichrichter 11 gekoppelt, eine Art Parallelschwingkreis bilden. In dieser Beschreibung werden die beiden Elemente Spule L und Kapazität CS der Interface-Anordnung auch als Energiespeichermittel bezeichnet, da die vom Wandler erzeugte Energie kurzzeitig in die Induktivität L und nachfolgend als Ladung auf der Kapazität CS gespeichert wird.From time t 0 to time t 1 is the switch 5 opened, so that the converter 2 is idle. During this time, a charge and thus a voltage V (t) builds up on the piezo-transducer capacitance C P 6. At time t 1 , this voltage becomes V (t), as in FIG 3 shown, maximum and thus the energy on C P 6. At time t 1 then the switch 5 closed, reducing the capacitance C P 6 and the coil L 7, via the rectifier 11 coupled, form a kind of parallel resonant circuit. In this description, the two elements coil L and capacitance C S of the interface arrangement are also referred to as energy storage means, since the energy generated by the transducer is temporarily stored in the inductance L and subsequently as a charge on the capacitance C S.

Der Schalter 5 bleibt nun so lange geschlossen, bis zum Zeitpunkt t2 die Piezoklemmenspannung V(t2) = 0 und der Spulenstrom maximal ist. Nun befindet sich die gesamte Energie des Schwingkreises, die zum Zeitpunkt t0 noch auf CP 6 gespeichert war, in der Spule L 7. Wenn nun der Schalter 5 wieder geöffnet wird, entlädt sich die Spule L 7 über die Diode 9 auf das Speicherelement CS 10, der Strom I 8 fließt. Nach dem Entladen der Spule L 7 beginnt der nächste Zyklus von vorn, aber nun mit der entgegengesetzten (negativen) Halbwelle von V(t).The desk 5 remains closed so long until the time t 2, the piezo terminal voltage V (t 2 ) = 0 and the coil current is maximum. Now, the entire energy of the resonant circuit, which was still stored at time t 0 on C P 6, in the coil L 7. If now the switch 5 is reopened, the coil L 7 discharges through the diode 9 to the memory element C S 10, the current I 8 flows. After discharging the coil L 7, the next cycle starts from the front, but now with the opposite (negative) half wave of V (t).

Das Umladen der Energie von CP 6 nach L 7 geschieht sehr schnell, da die Schwingungsperiode des Piezowandlers 2 sehr viel größer als die Periode des Schwingkreises aus L 7 und CP 6 ist.The transfer of energy from C P 6 to L 7 happens very quickly, since the oscillation period of the piezoelectric transducer 2 much larger than the period of the resonant circuit of L 7 and C P 6.

Also wird dem SECE-Interface pro Schwingungsperiode des Piezos eine Energie von:

Figure DE102013105585B4_0002
auf die Speicherkapazität CS 10 transferiert. Der Faktor 2 ist begründet durch die positive und negative Halbwelle.So, the SECE interface gets an energy of:
Figure DE102013105585B4_0002
transferred to the storage capacity C S 10. The factor 2 is due to the positive and negative half wave.

Das entspricht einem über die Zeit gemittelten Leistungsfluss von:

Figure DE102013105585B4_0003
This corresponds to a power flow averaged over time of:
Figure DE102013105585B4_0003

Weil der Wandler 1 die meiste Zeit im Leerlauf betrieben wird, der Schalter 5 in der 2 ist die meiste Zeit offen, kann die Spannung VM durch Lösen folgender Gleichung berechnet werden (ωP Resonanzfrequenz des Piezos).

Figure DE102013105585B4_0004
mit I(t) = αu .(t) = IMsin(ωPt) und V(t0) = 0. (6) Because the converter 1 Most of the time is idle, the switch 5 in the 2 is open most of the time, the voltage V M can be calculated by solving the following equation (ω P resonant frequency of the piezo).
Figure DE102013105585B4_0004
With I (t) = αu (t) = I M sin (ω P t) and V (t 0 ) = 0. (6)

Wenn man nun das Integral (5) mit den Randbedingungen aus (6) löst, ergibt sich für VM:

Figure DE102013105585B4_0005
If one solves the integral (5) with the boundary conditions of (6), then for V M :
Figure DE102013105585B4_0005

Aus (6) ergibt sich die Berechnung der Stromamplitude IM zu αωPuM (uM – Amplitude der Auslenkung). Für VM ergibt sich damit:

Figure DE102013105585B4_0006
From (6) the calculation of the current amplitude I M results in αω P u M (u M - amplitude of the deflection). For V M this results in:
Figure DE102013105585B4_0006

Wenn man nun (8) in (4) einsetzt, erhält man den Leistungsfluss in Abhängigkeit von der Amplitude der Auslenkung uM:

Figure DE102013105585B4_0007
If one now uses (8) in (4), one obtains the power flow as a function of the amplitude of the displacement u M :
Figure DE102013105585B4_0007

Dieser ist nur noch abhängig von der Amplitude der Auslenkung uM. Um nun uM zu berechnen, wird eine Leistungsbilanz bei Resonanz aufgestellt. Für eine Leistungsbilanz muss (1) auf beiden Seiten mit der Auslenkungsgeschwindigkeit u .(t) multipliziert werden. Links steht dann die dem System zugeführte Leistung, und rechts steht dann, wie sich die zugeführte Leistung auf die einzelnen Komponenten des Feder-Masse-Systems aus der 1 aufteilt.This is only dependent on the amplitude of the deflection u M. Now to calculate u M , a power balance is set up at resonance. For a power balance must be (1) on both sides with the deflection speed and (t) be multiplied. On the left is then the power supplied to the system, and then on the right is how the power supplied to the individual components of the spring-mass system from the 1 divides.

Bei einer Resonanz ist die Energie in einem Schwingkreis konstant (die Energie wird zwischen Feder und Masse ständig hin- und her getauscht), d. h., dass keine Leistung in Feder und Masse gespeist wird. Die komplette Leistung, die zugeführt wird, geht zum einen in den Dämpfer C als mechanische Verluste und zum anderen wird sie in die elektrische Leistung P gewandelt.At a resonance, the energy in a resonant circuit is constant (the energy is constantly switched back and forth between spring and mass), d. h. that no power in spring and ground is fed. The complete power that is supplied, on the one hand in the damper C as mechanical losses and on the other hand, it is converted into the electric power P.

Damit ergibt sich folgende Leistungsbilanz (P wurde in (9) berechnet):

Figure DE102013105585B4_0008
This results in the following current account (P was calculated in (9)):
Figure DE102013105585B4_0008

F(t) u .(t) und sind sinusförmige Signale, die zur Berechnung der Leistung durch ihren Effektivwert ersetzt werden. F (t) and (t) and are sinusoidal signals, which are replaced by their RMS to calculate the power.

Figure DE102013105585B4_0009
Figure DE102013105585B4_0009

Aufgrund der Tatsache, dass u .(t) sinusförmig ist, berechnet sich dessen Amplitude vM zu: νM = ωPuM. (12) Due to the fact that and (t) is sinusoidal, its amplitude v M is calculated as: ν M = ω P u M. (12)

Mit (11) und (12) kann nun uM berechnet werden:

Figure DE102013105585B4_0010
With (11) and (12) u M can now be calculated:
Figure DE102013105585B4_0010

Wenn man nun (13) in (9) einsetzt, erhält man die auf den Speicher Cs übertragene Leistung in Abhängigkeit von der Kraftamplitude FM.If one now uses (13) in (9), the power transferred to the memory Cs is obtained as a function of the force amplitude F M.

Figure DE102013105585B4_0011
Figure DE102013105585B4_0011

Die maximal übertragbare Leistung beträgt:

Figure DE102013105585B4_0012
The maximum transferable capacity is:
Figure DE102013105585B4_0012

Eine Kennzahl, die die Parameter des Piezos zusammenfasst, ist das Produkt aus elektromechanischer Kopplung k2 und Gütefaktor des mechanischen Feder-Masse-Systems Qm:

Figure DE102013105585B4_0013
A key figure that summarizes the parameters of the piezos is the product of electromechanical coupling k 2 and quality factor of the mechanical spring-mass system Q m :
Figure DE102013105585B4_0013

Wenn man nun (16) in (14) einsetzt und diese entstehende Gleichung auf (15) normiert, erhält man:

Figure DE102013105585B4_0014
If one now uses (16) in (14) and normalizes this resulting equation to (15), one obtains:
Figure DE102013105585B4_0014

Gleichung (17) beschreibt die übertragene Leistung in Abhängigkeit von den Piezoparametern (in Form von k2Qm), normiert auf die maximal übertragbare Leistung (ohne Abhängigkeit von der Größe der eingespeisten Kraft FM). Diese Funktion eignet sich sehr gut zum Vergleichen verschiedener Verfahren. Aus (17) ergibt sich die normierte Darstellung P/Pmax im Diagramm in 4 nach dem Stand der Technik SECE-Verfahren.Equation (17) describes the transmitted power as a function of the piezoparameters (in the form of k 2 Q m ) normalized to the maximum transmittable power (without depending on the magnitude of the applied force F M ). This feature is very useful for comparing different methods. From (17) results in the normalized representation P / P max in the diagram in 4 according to the state of the art SECE method.

Diesem Diagramm in 4 wurde zum Vergleich noch die Kurve eines einfachen Brückengleichrichters als Interface-Schaltung, mit der Bezeichnung „standard” gekennzeichnet, hinzugefügt. Zu erwähnen bleibt noch, dass beim Standard-Interface für die maximal übertragene Leistung ebenfalls (15) gilt.This diagram in 4 For comparison, the curve of a simple bridge rectifier was added as an interface circuit labeled "standard". It should also be mentioned that the standard interface for the maximum transmitted power also applies (15).

Dazu muss das Standard-Interface jedoch noch mit einem optimalen Lastwiderstand abgeschlossen werden.However, the standard interface still has to be terminated with an optimal load resistor.

Das Problem mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass die mit jedem Zyklus vom Piezowandler 2 entnommene Energie zu einer Dämpfung des mechanischen Teilsystems des Wandlers führt (inverser piezoelektrischer Effekt). Je größer der elektromechanische Kopplungsfaktor desto stärker ist die Dämpfung des mechanischen Teilsystems. Eine Dämpfung des mechanischen Teilsystems bedeutet, dass die Auslenkungsgeschwindigkeit u . reduziert wird, was wiederum die Amplitude der Stromquelle in der 2 und damit die vom Wandler erzeugt elektrische Energie verringert.The problem with the known from the prior art method is that with each cycle of the piezoelectric transducer 2 taken energy leads to an attenuation of the mechanical subsystem of the transducer (inverse piezoelectric effect). The greater the electromechanical coupling factor, the stronger the damping of the mechanical subsystem. An attenuation of the mechanical subsystem means that the deflection speed u. is reduced, which in turn reduces the amplitude of the current source in the 2 and thus reduces the electrical energy generated by the transducer.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung des SECE-Interface 2 erläutert.The method according to the invention for controlling the SECE interface will be described below 2 explained.

Wie aus der 4 zu sehen ist, lässt sich die maximal übertragbare Leistung nur für einen bestimmten Piezo-Parametersatz (k2Qm = 1/2 ≈ 0.707) erreichen. Die Idee hinter dem neuen SECE-Verfahren ist den Schalter nicht erst zum Zeitpunkt t2 zu öffnen wie in der 3 (wenn V(t2) = 0 und damit der Energietransfer von CP zu L vollständig abgeschlossen ist), sondern früher wieder zu t2' zu öffnen wenn noch eine gewisse Restenergie und damit eine gewisse Restspannung (qVM; q = [0...1) auf CP erhalten bleibt, wie in der 5 dargestellt ist. Der Faktor q ist das Verhältnis von der Spannung zum Zeitpunkt des Öffnen des Schalters V(t2') zur Amplitude VM(q = V (t2')/VM).Like from the 4 can be seen, the maximum transferable power can only be achieved for a specific piezo parameter set (k 2 Q m = 1/2 ≈ 0.707). The idea behind the new SECE method is not to open the switch until time t 2 as in the 3 (If V (t 2 ) = 0 and thus the energy transfer from C P to L is completely completed), but earlier again to t 2 'to open when still a certain residual energy and thus a certain residual stress (qV M ; q = [0 ... 1) is preserved on C P , as in the 5 is shown. The factor q is the ratio of the voltage at the time of opening the switch V (t 2 ') to the amplitude V M (q = V (t 2 ') / V M ).

Im Vergleich zu (3) ist damit die pro Piezoperiode gewandelte Energie:

Figure DE102013105585B4_0015
In comparison with (3), the energy converted per piezoelectric period is thus:
Figure DE102013105585B4_0015

Die über die Zeit gemittelte Leistung ist damit:

Figure DE102013105585B4_0016
The performance averaged over time is thus:
Figure DE102013105585B4_0016

VM kann wieder durch Lösen von (5) berechnet werden. Diesmal allerdings mit der Randbedingung V(t0) = –qVM (siehe 5).V M can be calculated again by solving (5). This time, however, with the boundary condition V (t 0 ) = -qV M (see 5 ).

Figure DE102013105585B4_0017
Figure DE102013105585B4_0017

Durch Einsetzen von (20) in (19) erhält man:

Figure DE102013105585B4_0018
Inserting (20) in (19) gives:
Figure DE102013105585B4_0018

Wie schon bei der Herleitung des alten SECE-Verfahrens, kann uM durch Auswerten der Leistungsbilanz bei Resonanz bestimmt werden. Es ergibt sich:

Figure DE102013105585B4_0019
As with the derivation of the old SECE method, u M can be determined by evaluating the power balance at resonance. It follows:
Figure DE102013105585B4_0019

Mit (21) und (22) lässt sich nun die übertragene Leistung in Abhängigkeit von der Kraft FM und des Verhältnisses q berechnen.With (21) and (22), the transmitted power can now be calculated as a function of the force F M and the ratio q.

Figure DE102013105585B4_0020
Figure DE102013105585B4_0020

Gleichung (23) zeigt, dass die Leistung durch Variation von q beeinflusst werden kann. Wenn q = 0 ist, dann entspricht Gleichung (23) exakt der Gleichung (14), was dem klassischem SECE-Betrieb entspricht. Durch Einsetzen von (16) in (23) und Normieren der so entstandenen Gleichung auf (15) erhält man:

Figure DE102013105585B4_0021
Equation (23) shows that the power can be influenced by varying q. If q = 0, then equation (23) exactly matches equation (14), which corresponds to classic SECE operation. Substituting (16) into (23) and normalizing the resulting equation to (15) yields:
Figure DE102013105585B4_0021

Diese Gleichung ist im Diagramm (6) für verschiedene Werte von q dargestellt. Man erkennt, dass durch Einstellen von q, das Leistungsmaximum in einen großen Bereich von k2Qm erreicht werden kann. Damit ist das neue SECE-Verfahren viel unabhängiger von den Parametern des Piezowandlers.This equation is in the diagram ( 6 ) for different values of q. It can be seen that by setting q, the power maximum can be achieved in a wide range of k 2 Q m . This makes the new SECE method much more independent of the parameters of the piezo converter.

Wie beim klassischen SECE-Verfahren ist der Schalter 5 vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 geöffnet. Wenn dann zum Zeitpunkt t1 die Spannung V(t) und damit die Energie auf der Kapazität CP 6 maximal wird, wird der Schalter 5 geschlossen und die Energie wird von CP 6 in die Spule L 7 transportiert.As in the classic SECE method, the switch 5 is open from time t 0 to time t 1 . If then at time t 1, the voltage V (t) and thus the energy on the capacitance C P 6 is maximum, the switch 5 closed and the energy is transported by C P 6 in the coil L 7.

Doch anstelle zu warten bis der Energietransport in die Spule L 7 vollständig abgeschlossen ist (V(t) = 0), wird nun der Schalter 5 schon vorher geöffnet, wie es in der 5 im Zeitpunkt t2' dargestellt ist, sodass eine Restspannung V(t2') = qVM(q = [0...1]) und damit eine Restenergie auf CP 6 zurückbleibt. Dies reduziert die Dämpfung des mechanischen Teilsystems des Wandlers 2 bei großen elektromechanischen Koppelfaktoren und führt zu einer Vergrößerung der vom Wandler 2 im stationären Zustand erzeugten elektrischen Energie.But instead of waiting until the energy transport into the coil L 7 has been completed (V (t) = 0), the switch now appears 5 already opened, as it is in the 5 at time t 2 'is shown, so that a residual voltage V (t 2 ') = qV M (q = [0 ... 1]) and thus a residual energy to C P 6 remains. This reduces the damping of the mechanical subsystem of the transducer 2 For large electromechanical coupling factors and leads to an increase in the electrical energy generated by the converter 2 in the steady state.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Parameter q variabel im Bereich zwischen 0 bis 1 einstellbar ist. Derart wird erreicht, dass mit diesem neuartigen SECE-Verfahren von Wandlern mit nahezu beliebiger Kopplung die maximale Leistung entnommen wird. In der 6 ist die erzeugte Leistung in Abhängigkeit von der elektromechanischen Kopplung für verschiedene q-Werte dargestellt, wobei q = 0 dem klassischen SECE-Verfahren entspricht.According to the invention, it is provided that the parameter q is variably adjustable in the range between 0 and 1. In this way, the maximum power is taken from converters with almost any coupling with this novel SECE method. In the 6 the generated power is represented as a function of the electromechanical coupling for different q values, where q = 0 corresponds to the classical SECE method.

Zum Vergleich wurde noch die Kennlinie des Standard-Interface hinzugefügt.For comparison, the characteristic of the standard interface has been added.

Das Schaltmittel 5 kann beispielsweise als Transistorschalter, wie in der 7 dargestellt, realisiert werden. Für eine diesen Transistorschalter 5 ansteuernde Ansteuerschaltung 13, die das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren technisch umsetzt, existieren viele Möglichkeiten. Deshalb ist die Ansteuerung des Transistorschalters N1 5 in der 7 zunächst nur als Black-Box dargestellt.The switching means 5 For example, as a transistor switch, as in the 7 represented, realized. For a transistor switch 5 triggering drive circuit 13 , which technically implements the inventive method described above, there are many possibilities. Therefore, the drive of the transistor switch N1 is 5 in the 7 initially shown only as a black box.

Eine mögliche nur beispielhafte Realisierung der Ansteuerschaltung 13 ist in der 8 dargestellt.A possible only exemplary realization of the drive circuit 13 is in the 8th shown.

Die Ansteuerschaltung ist mit ihren Spannungsversorgungseingängen mit der in der Interface-Anordnung angeordneten Gleichrichterschaltung verbunden. Derart wird sichergestellt das die Gesamtanordnung ohne eine externe- oder interne zusätzliche Spannungsquelle arbeitet.The drive circuit is connected with its voltage supply inputs to the arranged in the interface arrangement rectifier circuit. This ensures that the overall arrangement works without an external or internal additional voltage source.

Außer zur Spannungsversorgung der Elemente der Ansteuerschaltung ist der Spannungseingang zur Detektion eines Spannungsmaximums der Eingangswechselspannung V(t) mit dem Eingang eines Maximumdetektors 15, einem ersten Eingang eines Komparators 17 und dem elektronischen Schalter P1 verbunden. Das vom Maximumdetektor 15 erzeugte Ausgangs-Signal ist mit einem Setzeingang eines RS-Flipflops 18 gekoppelt. Mit der Detektion des Maximums wird am Ausgang des RS-Flipflops 18 ein Steuersignal bereitgestellt, welches sowohl den elektronischen Schalter 5 als auch den elektronischen Schalter 16 durchsteuert. Somit startet der Ladevorgang des Energiespeichermittels in der Interface-Anordnung 3. Das Energiespeichermittel besteht hier aus dem Ladekondensator CS 10 und der zur Energiegewinnung aus dem Wandler notwendigen Induktivität L 7.Except for the voltage supply of the elements of the drive circuit, the voltage input for detecting a voltage maximum of the input AC voltage V (t) with the input of a maximum detector 15 , a first input of a comparator 17 and the electronic switch P1. That of the maximum detector 15 generated output signal is connected to a set input of an RS flip-flop 18 coupled. With the detection of the maximum is at the output of the RS flip-flop 18 a control signal is provided which includes both the electronic switch 5 as well as the electronic switch 16 by controls. Thus, the charging of the energy storage means in the interface arrangement starts 3 , The energy storage means here consists of the charging capacitor C S 10 and the necessary for the production of energy from the converter inductance L 7 ,

Das Durchschalten des Schalters P1 16 bewirkt, dass die Eingangswechselspannung V(t) über diesen Schalter auch am Spannungsteiler 14 anliegt. Dieser ist als kapazitiver Spannungsteiler mit zwei einstellbaren Kapazitäten ausgeführt. Eine Teilspannung dieses Spannungsteilers 14, welche sich zwischen den Teilkapazitäten C1 und C2 einstellt, wird von diesem Knoten zum zweiten Eingang des Komparators 17 geführt. Mittels dieses Spannungsteilers wird der Faktor q eingestellt und somit der Abschaltzeitpunkt t2' in welchem der Komparator 17 ein Steuersignal zum rücksetzten des RS-Flipflops 18 erzeugt. Mit diesem Rücksetzen steuert das Steuersignal des RS-Flipflops 18 sowohl den Schalter 5 als auch den Schalter P1 wieder zu, womit der Ladevorgang des Energiespeichermittels beendet wird.The switching of the switch P1 16 causes the input AC voltage V (t) via this switch also at the voltage divider 14 is applied. This is designed as a capacitive voltage divider with two adjustable capacitances. A partial voltage of this voltage divider 14 , which is established between the partial capacitances C 1 and C 2 , from this node to the second input of the comparator 17 guided. By means of this voltage divider, the factor q is set and thus the turn-off time t 2 'in which the comparator 17 a control signal for resetting the RS flip-flop 18 generated. With this reset controls the control signal of the RS flip-flop 18 both the switch 5 as well as the switch P1 again, whereby the charging of the energy storage means is terminated.

Den Faktor q kann man mithilfe eines kapazitiven Spannungsteilers 14 hier wie folgt einstellen:

Figure DE102013105585B4_0022
The factor q can be obtained by means of a capacitive voltage divider 14 set here as follows:
Figure DE102013105585B4_0022

Der Schalter P1 16 ist die ganze Zeit geschlossen, sodass über den Spannungsteiler 14 die Spannung Vrect(t) abfällt. Wenn nun ein Maximum/Scheitelpunkt in Vrect(t) mittels des Maximumdetektors 15 detektiert wird und der Schalter N1 5 geschlossen wird, wird parallel dazu der Schalter P1 16 geöffnet, sodass dieser Maximalwert/Amplitudenwert VM auf dem Teiler 14 gespeichert bleibt.The switch P1 16 is closed all the time, so via the voltage divider 14 the voltage V rect (t) drops. If now a maximum / vertex in V rect (t) by means of the maximum detector 15 is detected and the switch N1 5 is closed, the switch P1 16 is opened in parallel, so that this maximum value / amplitude value V M on the divider 14 remains stored.

Über die Teilkapazität C2 des Spannungsteilers 14 fällt dann qVM ab und steht dem Komparator 17 als Referenz zum Öffnen des Schalters N1 5 zur Verfügung. Wenn der Schalter N1 5 wieder geöffnet wurde, wird P1 16 wieder geschlossen und der Zyklus beginnt von vorn.About the partial capacitance C 2 of the voltage divider 14 then drops off qV M and is the comparator 17 as a reference to open the switch N1 5 available. When the switch N1 5 P1 16 is closed again and the cycle starts again.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Anordnung zur SpannungserzeugungArrangement for voltage generation
22
Wandlerconverter
33
Interface-Anordnung (SECE)Interface arrangement (SECE)
44
Wechselstromquelle αu .AC power source αu.
55
elektronisches Schaltmittel/Schalterelectronic switching device / switch
66
Kapazität Cp Capacity C p
77
Induktivität LInductance L
88th
Strom IElectricity I
99
Diodediode
1010
Kapazität Cs Capacity C s
1111
Gleichrichterrectifier
1212
Ausgang/Ausgangsspannung Ua Output / output voltage U a
1313
Ansteuerschaltungdrive circuit
1414
kapazitiver Spannungsteilercapacitive voltage divider
1515
Maximumdetektorsmaximum detector
1616
Schalter P1Switch P1
1717
Komparatorcomparator
1818
RS-FlipflopRS flip-flop

Claims (8)

Anordnung zur Erzeugung einer Spannung, umfassend einen Wandler (2), welcher unter Nutzung eines piezoelektrischen Effekts eine elektrische Eingangswechselspannung (V(t)) erzeugt, und eine Interface-Anordnung (3), welche mit dem Wandler (2) verbunden ist und die im Wandler (2) erzeugte Eingangswechselspannung (V(t)) in eine Gleichspannung wandelt und zwischenspeichert und diese Gleichspannung als Ausgangsspannung (12, Ua) für einen Verbraucher an einem Ausgang der Interface-Anordnung (3) bereitstellt, wobei die Interface-Anordnung (3) einen Gleichrichter (11) aufweist, dessen Eingänge mit dem Wandler (2) verbunden sind und dessen Ausgänge mit einer Reihenschaltung bestehend aus einer Induktivität (7, L) und einem elektronischen Schalter (5) verbunden sind, dass ein erster Anschluss der Induktivität (7, L) mit einem ersten Anschluss einer Kapazität (10, Cs) und einem ersten Anschluss des Ausgangs (12) und ein zweiter Anschluss der Induktivität (7, L) über eine Diode (9) mit einem zweiten Anschluss einer Kapazität (10, Cs) und einem zweiten Anschluss des Ausgangs (12) der Interface-Anordnung (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (5) einen Steuereingang aufweist, welcher mit einer Ansteuerschaltung (13) zur Übertragung eines Ansteuersignals verbunden ist und dass die Spannungsversorgungsanschlüsse der Ansteuerschaltung (13) mit den Ausgängen des Gleichrichters (11) verbunden sind.Arrangement for generating a voltage, comprising a converter ( 2 ), which generates an electrical input alternating voltage (V (t)) using a piezoelectric effect, and an interface arrangement ( 3 ), which with the converter ( 2 ) and in the converter ( 2 ) generated alternating voltage (V (t)) converts into a DC voltage and cached and this DC voltage as an output voltage ( 12 , U a ) for a consumer at an output of the interface arrangement ( 3 ), the interface arrangement ( 3 ) a rectifier ( 11 ) whose inputs to the converter ( 2 ) and whose outputs are connected in series with an inductance ( 7 , L) and an electronic switch ( 5 ), that a first terminal of the inductance ( 7 , L) with a first connection of a capacity ( 10 , C s ) and a first terminal of the output ( 12 ) and a second terminal of the inductance ( 7 , L) via a diode ( 9 ) with a second terminal of a capacity ( 10 , C s ) and a second terminal of the output ( 12 ) of the interface arrangement ( 3 ), characterized in that the electronic switch ( 5 ) has a control input which is connected to a drive circuit ( 13 ) is connected to transmit a drive signal and that the power supply terminals of the drive circuit ( 13 ) with the outputs of the rectifier ( 11 ) are connected. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (13) einen Spannungsteiler (14), einen elektronischen Schalter (16, 21), einen Komparator (17), einen Maximumdetektor (15) und ein Logikgatter (18) aufweist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the drive circuit ( 13 ) a voltage divider ( 14 ), an electronic switch ( 16 . 21 ), a comparator ( 17 ), a maximum detector ( 15 ) and a logic gate ( 18 ) having. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler (14) ein kapazitiver Spannungsteiler ist.Arrangement according to claim 2, characterized in that the voltage divider ( 14 ) is a capacitive voltage divider. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Logikgatter (18) ein RS-Flipflop ist.Arrangement according to claim 2, characterized in that the logic gate ( 18 ) is an RS flip-flop. Verfahren zur Erzeugung einer Spannung, welche mittels eines piezoelektrischen Effekts erzeugt wird, wobei die derart erzeugte elektrische Eingangswechselspannung (V(t)) mittels einer Interface-Anordnung gleichgerichtet, gespeichert und als Ausgangsspannung (Ua) für einen anschließbaren Verbraucher bereitgestellt wird, wobei zumindest bei einem Nulldurchgang der elektrischen Eingangswechselspannung (V(t)) eine Verbindung zwischen der Eingangswechselspannung (V(t)) und einem aus einem induktiven und einem kapazitiven Element bestehenden Energiespeichermittel getrennt wird, dass diese Trennung bei einem Erreichen eines Maximums der Eingangswechselspannung (V(t)) zu einem Zeitpunkt t1 aufgehoben und ein Ladevorgang des Energiespeichermittels gestartet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladevorgang des Energiespeichermittels in einem Zeitpunkt t2' vor dem Erreichen des Nulldurchgangs der Eingangswechselspannung (V(t)) abgebrochen wird. A method for generating a voltage which is generated by means of a piezoelectric effect, wherein the thus generated electrical input AC voltage (V (t)) rectified by means of an interface arrangement, stored and provided as an output voltage (U a ) for a connectable consumer, wherein at least at a zero crossing of the electrical input alternating voltage (V (t)) a connection between the input alternating voltage (V (t)) and an energy storage means consisting of an inductive and a capacitive element is separated, that this separation when reaching a maximum of the input alternating voltage (V ( t)) is canceled at a time t 1 and a charging of the energy storage means is started, characterized in that the charging of the energy storage means at a time t 2 'before reaching the zero crossing of the input AC voltage (V (t)) is aborted. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt t2' einstellbar ist.A method according to claim 5, characterized in that the time t 2 'is adjustable. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt t2' entsprechend der Größe einer gewünschten Restspannung V(t2') nach V(t2') = qVM mit einem Faktor q im Bereich zwischen Null und Eins einstellbar ist.A method according to claim 5 or 6, characterized in that the time t 2 'according to the size of a desired residual voltage V (t 2 ') to V (t 2 ') = qV M with a factor q in the range between zero and one is adjustable , Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor q mittels eines kapazitiven Spannungsteilungsmittels gemäß q = C2/(C1 + C2) einstellbar ist.A method according to claim 7, characterized in that the factor q by means of a capacitive voltage division means according to q = C 2 / (C 1 + C 2 ) is adjustable.
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