DE102013113378B4

DE102013113378B4 - Verfahren und elektronische Schaltung zum Bestimmen des Zeitpunkts eines Extremums einer sich zeitlich verändernden Kapazität

Info

Publication number: DE102013113378B4
Application number: DE102013113378.9A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Saft; Eric Schäfer
Original assignee: Imms Inst fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Gemeinnuetzige (imms Gmbh) GmbH; Imms Institut fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Gemeinnuetzige (imms Gmbh) GmbH
Current assignee: Imms Inst fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Gemeinnuetzige (imms Gmbh) GmbH; Imms Institut fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Gemeinnuetzige (imms Gmbh) GmbH
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: DE102013113378A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen des Zeitpunkts eines Extremums einer sich zeitlich verändernden Kapazität eines Kondensators (01), folgende Schritte umfassend:
– Vergleichen einer am Kondensator (01) anliegenden Spannung (VCAP) mit einem unteren Spannungswert (VM – ΔV) und einem oberen Spannungswert (VM + ΔV);
– Umladen des Kondensators (01) auf einen mittleren Spannungswert (VM), der zwischen dem unteren Spannungswert (VM – ΔV) und dem oberen Spannungswert (VM + ΔV) liegt, wenn die am Kondensator (01) anliegende Spannung (VCAP) kleiner als der untere Spannungswert (VM – ΔV) oder größer als der obere Spannungswert (VM + ΔV) ist;
– Wiederholen des Umladens des Kondensators (01), wenn die am Kondensator (01) anliegende Spannung (VCAP) erneut kleiner als der untere Spannungswert (VM – ΔV) oder erneut größer als der obere Spannungswert (VM + ΔV) geworden ist;
– Feststellen eines Bezugszeitpunktes, in welchem die am Kondensator (01) anliegende Spannung (VCAP) den mittleren Spannungswert (VM) durchläuft; und
– Bestimmen des Zeitpunktes des Extremums in Abhängigkeit vom festgestellten Bezugszeitpunkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zum Bestimmen des Zeitpunkts eines Extremums einer sich zeitlich verändernden Kapazität einer im weiteren Sinne als Kondensator anzusehenden Schaltungseinheit. Derartige Kondensatoren werden beispielsweise in sogenannten Energy-Harvestern (elektrostatische Energiewandler) verwendet, sodass das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Energy-Harvesters dienen kann und die erfindungsgemäße Schaltung eine Komponente eines Energy-Harvesters bilden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltung können weiterhin zur Bestimmung eines Verhältnisses zwischen einem Maximum und einem Minimum der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators ausgebildet sein.
In dem Artikel von Li, Yongjia; Zhao, Duan und Serdijn, Wouter A.: „A Sub-Microwatt Asysnchronous Level-Crossing ADC for Biomedical Applications“ in IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, April 2013, Seiten 149–157, wird ein Analog/Digital-Wandler vorgestellt, bei welchem ein Vergleich mit Schwellwerten vorgenommen wird.
In dem Artikel von Gasnier, Pierre et al.: „An Ultra Low Power Maximum Voltage Detector for Piezoelectric and Electrostatic Energy Harvesters“ in New Circuits and Systems Conference (NEWCAS), 2013, IEEE 11th International, ist eine integrierte elektronische Schaltung zum Betrieb von piezoelektrischen und elektrostatischen Energiewandlern beschrieben, die einen Transkonduktanzkonverter zur Bestimmung der maximalen Spannung der Kapazität umfasst.
Der Artikel von Torres, E. O. und Rincon-Mora, G. A.: „A 0.7 µm BiCMOS Electrostatic Energy-Harvesting System IC“ in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Februar 2010, Seiten 483–496, zeigt eine integrierte Schaltung zum Betrieb eines Energy-Harvesters. Durch diese Schaltung wird eine konstante Ladung auf eine zu analysierende Kapazität gebracht. Ein RC-Glied dient zur Erzeugung einer phasenverschobenen Kopie der Kapazitätsspannung, die mit dem Original der Kapazitätsspannung verglichen wird, um die Zeitpunkte von Extrema der Kapazität bestimmen zu können.
In dem Artikel von Kempitiya, Asantha et al.: „Low-Power Interface IC for Triplate Electrostatic Energy Converters“ in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, Nr. 2, Februar 2013, S. 609–614 wird ein Schaltkreis für einen Energy-Harvester vorgestellt, welcher einen Kondensator mit drei Kondensatorplatten umfasst.
Der Artikel von Kempitiya, Asantha et al.: „Silicon-Integrated Electrostatic Energy Harvesters“ in 2013 IEEE 56th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 4.–7. August 2013, S. 364–367 gibt einen Überblick über elektrostatische Energy-Harvester.
In dem Artikel von Mitcheson, Paul D. et al.: „Energy Harvesting From Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices“ in Proceedings of the IEEE, Vol. 96, Nr. 9, September 2008, S. 1457–1486 werden miniaturisierte Energy-Harvester für medizinische Anwendungen vorgestellt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, den Aufwand zum Bestimmen eines Zeitpunktes eines Extremums einer sich zeitlich verändernden Kapazität zu verringern, um insbesondere einen effizienteren Betrieb von Energy-Harvestern zu ermöglichen. Auch soll es möglich werden, ein Verhältnis zwischen einem Maximum und einem Minimum der sich zeitlich verändernden Kapazität zu bestimmen.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 und durch eine elektronische Schaltung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 9.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bestimmen des Zeitpunkts eines Extremums einer sich zeitlich verändernden Kapazität, insbesondere eines Sensorkondensators eines kapazitiven Energiewandlers. Kapazitive Energiewandler, auch elektrostatische Energiegewinner oder kapazitive bzw. elektrostatische Energy-Harvester genannt, dienen zur autonomen Gewinnung elektrischer Energie. Bei diesen Energiegewinnern wirkt eine mechanische Umgebungsgröße auf einen Kondensator ein, dessen Kapazität sich hierdurch ändert; zumeist periodisch. Zur effizienten Abführung der elektrischen Energie aus dem Kondensator ist es erforderlich, die Zeitpunkte der Extrema der sich zeitlich verändernden Kapazität zu kennen, wofür insbesondere Sensorkapazitäten verwendet werden, die sich synchron zu der zur Energiegewinnung verwendeten Kapazität verändern. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch für andere Anwendungen eingesetzt werden, bei welchen ein Zeitpunkt eines Extremums einer sich zeitlich verändernden Kapazität eines Kondensators zu bestimmen ist.
Bei den zu detektierenden Extrema handelt es sich um Maxima und Minima der sich zeitlich verändernden Kapazität. Folglich lassen sich die Zeitpunkte bestimmen, in denen ein Maximum oder ein Minimum der sich zeitlich verändernden Kapazität auftritt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst einen Schritt, in welchem eine am Kondensator anliegende Spannung mit einem unteren Spannungswert und mit einem oberen Spannungswert verglichen wird. Dieser Vergleich mit zwei Grenzwerten kann auf der Grundlage einer absoluten Messung erfolgen, jedoch erfolgt er bevorzugt ausschließlich relativ. Ein mittlerer Spannungswert liegt zwischen dem unteren Spannungswert und dem oberen Spannungswert. Der mittlere Spannungswert, der untere Spannungswert und der obere Spannungswert sind vorab festgelegt. Das Vergleichen der am Kondensator anliegenden Spannung mit dem unteren Spannungswert und das Vergleichen der am Kondensator anliegenden Spannung mit dem oberen Spannungswert müssen nicht gleichzeitig erfolgen.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Umladen, d. h. ein Laden oder ein Entladen, des Kondensators auf den mittleren Spannungswert, wenn die am Kondensator anliegende Spannung kleiner als der untere Spannungswert oder größer als der obere Spannungswert ist. Wenn die am Kondensator anliegende Spannung kleiner als der untere Spannungswert ist, erfolgt ein Laden des Kondensators. Wenn die am Kondensator anliegende Spannung größer als der obere Spannungswert ist, erfolgt ein Entladen des Kondensators. Das Umladen erfolgt, sobald die am Kondensator anliegende Spannung kleiner als der untere Spannungswert bzw. größer als der obere Spannungswert geworden ist. Unmittelbar nach dem Umladen ist die am Kondensator anliegende Spannung so groß wie der mittlere Spannungswert. Während des Ladens wird der mittlere Spannungswert durch die am Kondensator anliegende Spannung nicht überschritten, sondern die am Kondensator anliegende Spannung verbleibt in einem Intervall bis einschließlich des mittleren Spannungswertes. Genauso wenig wird der mittlere Spannungswert während des Entladens durch die am Kondensator anliegende Spannung unterschritten, sondern die am Kondensator anliegende Spannung verbleibt in einem Intervall ab einschließlich des mittleren Spannungswertes.
Das Umladen des Kondensators wird wiederholt, wenn die am Kondensator anliegende Spannung erneut kleiner als der untere Spannungswert oder erneut größer als der obere Spannungswert geworden ist. Unmittelbar nach dem wiederholten Umladen ist die am Kondensator anliegende Spannung wieder so groß wie der mittlere Spannungswert. Das wiederholte Umladen beginnt, sobald die am Kondensator anliegende Spannung erneut kleiner als der untere Spannungswert bzw. erneut größer als der obere Spannungswert geworden ist. Das Wiederholen des Umladens kann mehrfach erfolgen, wenn die am Kondensator anliegende Spannung erneut kleiner als der untere Spannungswert bzw. erneut größer als der obere Spannungswert geworden ist.
Die am Kondensator anliegende Spannung ändert sich aufgrund der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators bei konstanter Ladung. Nimmt die Kapazität zu, so sinkt die am Kondensator anliegende Spannung. Sobald die am Kondensator anliegende Spannung kleiner als der untere Spannungswert geworden ist, wird der Kondensator erfindungsgemäß geladen. Sinkt die Kapazität, so steigt die am Kondensator anliegende Spannung. Sobald die am Kondensator anliegende Spannung größer als der obere Spannungswert geworden ist, wird der Kondensator erfindungsgemäß entladen.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Feststellen eines Bezugszeitpunktes, in welchem die am Kondensator anliegende Spannung den mittleren Spannungswert durchläuft, also ausgehend von einem kleineren Wert überschreitet oder ausgehend von einem größeren Wert unterschreitet. Beim Unterschreiten ändert sich die am Kondensator anliegende Spannung von einem Wert oberhalb des mittleren Spannungswertes auf einen Wert unterhalb des mittleren Spannungswertes. Beim Überschreiten ändert sich die am Kondensator anliegende Spannung von einem Wert unterhalb des mittleren Spannungswertes auf einen Wert oberhalb des mittleren Spannungswertes. Das Unterschreiten und das Überschreiten erfolgen grundsätzlich außerhalb der Zeiten, in denen ein Umladen bzw. ein wiederholtes Umladen erfolgt, da das Umladen immer nur bis zum mittleren Spannungswert erfolgt. Im einfachsten Fall kann in praktischen Anwendungen ein Durchlaufen des mittleren Spannungswertes daran erkannt werden, dass nach dem Detektieren des Erreichens des einen Grenzwerts (unterer bzw. oberer Spannungswert) der am Kondensator anliegenden Spannung und einem damit ausgelösten Umladen als nächstes das Erreichen des anderen Grenzwertes (oberer bzw. unterer Spannungswert) detektiert wird. Der Zeitpunkt, in welchem die am Kondensator anliegende Spannung den mittleren Spannungswert überschreitet/unterschreitet bzw. dieses Durchlaufen detektiert wird, stellt den Bezugszeitpunkt dar.
Der Bezugszeitpunkt folgt einem aufgetretenen Extremum der sich zeitlich verändernden Kapazität in einem kurzen zeitlichen Abstand. Daher wird erfindungsgemäß der Zeitpunkt des Extremums in Abhängigkeit vom festgestellten Bezugszeitpunkt bestimmt; im einfachsten Fall in ausschließlicher Abhängigkeit vom festgestellten Bezugszeitpunkt.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es nur wenige Operationen, insbesondere Vergleiche umfasst, wodurch es sehr aufwandsarm realisierbar und energiearm durchführbar ist. Auch die asynchrone Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt eine besonders energiearme Durchführung. Wegen der wiederholten Umladung auf den mittleren Spannungswert ist keine Regelung zum Ausgleich von Leckströmen erforderlich.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Umladen des Kondensators auf den mittleren Spannungswert grundsätzlich dadurch, dass der Kondensator mit einer den mittleren Spannungswert aufweisenden Spannung beaufschlagt wird. Hierdurch werden das Laden und auch das Entladen des Kondensators durch die gleiche Vorgehensweise bewirkt, was die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens nochmals vereinfacht. Insofern die mittlere Kapazität des Kondensators klein ist, ist nur eine kurze Zeitdauer des Beaufschlagens des Kondensators mit der den mittleren Spannungswert aufweisenden Spannung erforderlich, um den Kondensator auf den mittleren Spannungswert umzuladen. Daher erfolgt das Beaufschlagen des Kondensators mit der den mittleren Spannungswert aufweisenden Spannung bevorzugt pulsweise, wobei die weiteren Pulse zum wiederholten Umladen dienen.
Bei alternativen Ausführungsformen erfolgt das Laden dadurch, dass der Kondensator mit einem Strom beaufschlagt wird, sobald die am Kondensator anliegende Spannung kleiner als der untere Spannungswert geworden ist, und solange, bis die am Kondensator anliegende Spannung den mittleren Spannungswert erreicht hat.
Bei alternativen Ausführungsformen erfolgt das Entladen dadurch, dass der Kondensator mit einer ohmschen Last oder einem Strom beaufschlagt wird, sobald die am Kondensator anliegende Spannung größer als der obere Spannungswert geworden ist, und solange, bis die am Kondensator anliegende Spannung den mittleren Spannungswert erreicht hat.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der mittlere Spannungswert in der Mitte zwischen dem unteren Spannungswert und dem oberen Spannungswert.
Die sich zeitlich verändernde Kapazität ändert sich bevorzugt periodisch. Die Abhängigkeit der sich verändernden Kapazität von der Zeit ist bevorzugt durch eine Sinusfunktion beschreibbar.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bestimmen des Zeitpunktes des Extremums in Abhängigkeit vom festgestellten Bezugszeitpunkt dadurch, dass der festgestellte Bezugszeitpunkt genau als der Zeitpunkt des Extremums gewählt wird. Diese Ausführungsformen sind bevorzugt, weil sie sehr einfach zu realisieren sind. Zwar folgt der festgestellte Bezugszeitpunkt dem Zeitpunkt des Extremums in einem zeitlichen Abstand, jedoch ist dieser zeitliche Abstand klein und kann in den meisten Anwendungsfällen vernachlässigt werden. Dieser zeitliche Abstand ist besonders klein, wenn sich der untere Spannungswert und der obere Spannungswert nur geringfügig vom mittleren Spannungswert unterscheiden.
Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bestimmen des Zeitpunktes des Extremums in Abhängigkeit vom festgestellten Bezugszeitpunkt dadurch, dass ein Zeitpunkt zwischen dem zuletzt erfolgten Umladen und dem festgestellten Bezugszeitpunkt gewählt wird. Hierdurch kann berücksichtigt werden, dass der festgestellte Bezugszeitpunkt dem Zeitpunkt des Extremums in einem zeitlichen Abstand folgt. Der Zeitpunkt des Extremums liegt jedenfalls zeitlich nach dem zuletzt erfolgten Umladen. Bei dem zuletzt erfolgten Umladen handelt es sich um ein wiederholt durchgeführtes Laden oder um ein wiederholt durchgeführtes Entladen, wobei der Abschluss des zuletzt erfolgten Ladens bzw. des Entladens den zeitlichen Bezug bildet.
Das Bestimmen des Zeitpunktes zwischen dem zuletzt erfolgten Umladen und dem festgestellten Bezugszeitpunkt erfolgt bevorzugt dadurch, dass ein Zeitpunkt in der Mitte zwischen dem zuletzt erfolgten Umladen und dem festgestellten Bezugszeitpunkt gewählt wird. Dieses Vorgehen führt bei einer sich sinusförmig zeitlich verändernden Kapazität zu einer exakten Bestimmung des Zeitpunktes des Extremums, da dieser zeitlich in der Mitte zwischen dem Abschluss des zuletzt erfolgten Umladens und dem festgestellten Bezugszeitpunkt liegt.
Vom erstmaligen Umladen bis zum ersten Bezugszeitpunkt erfolgt entweder ausschließlich ein mehrfach wiederholtes Laden des Kondensators oder ausschließlich ein mehrfach wiederholtes Entladen des Kondensators. Insofern ein mehrfach wiederholtes Laden erfolgt, so handelt es sich bei dem Extremum der sich zeitlich verändernden Kapazität, dessen Zeitpunkt bestimmt wird, um ein Maximum. Insofern ein mehrfach wiederholtes Entladen erfolgt, so handelt es sich bei dem Extremum der sich zeitlich verändernden Kapazität, dessen Zeitpunkt bestimmt wird, um ein Minimum.
Insofern das erfindungsgemäße Verfahren in einem Zustand des Kondensators begonnen wird, in welchem der Kondensator ungeladen ist, so wird dieser bevorzugt erstmalig auf den mittleren Spannungswert geladen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren werden der Kondensator und die Spannungswerte bevorzugt derart gewählt, dass eine Selbstentladung des Kondensators vernachlässigbar ist.
Ein maximaler Wert der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators beträgt bevorzugt zwischen 1 pF und 1 nF.
Der untere Spannungswert beträgt bevorzugt mindestens 75 %, besonders bevorzugt mindestens 95 % des mittleren Spannungswertes. Der untere Spannungswert ist kleiner als der mittlere Spannungswert.
Der obere Spannungswert beträgt bevorzugt höchstens 125 %, besonders bevorzugt höchstens 105 % des mittleren Spannungswertes. Der obere Spannungswert ist größer als der mittlere Spannungswert.
Bei einer sich zeitlich periodisch ändernden Kapazität des Kondensators folgen fortlaufend Extrema, d. h. Maxima und Minima der Kapazität, aufeinander. Die Zeitpunkte dieser Extrema werden bevorzugt fortlaufend bestimmt, wofür mehrere aufeinanderfolgende der Bezugszeitpunkte fortlaufend festzustellen sind. Grundsätzlich führt jedes Überschreiten und jedes Unterschreiten des mittleren Spannungswertes durch die am Kondensator anliegende Spannung außerhalb der Vorgänge des Umladens zum lückenlosen Bestimmen der Zeitpunkte der Extrema. Zwischen den Zeitpunkten zweier unmittelbar aufeinanderfolgender Extrema, d. h. zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Bezugszeitpunkten erfolgt entweder ausschließlich ein mehrfach wiederholtes Laden des Kondensators oder ausschließlich ein mehrfach wiederholtes Entladen des Kondensators. Bevorzugt wird eine Anzahl n der Umladungen, d. h. entweder der Ladungen oder der Entladungen, zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden der festgestellten Bezugszeitpunkte gezählt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt weiterhin dazu ausgebildet, das Verhältnis zwischen einem Maximum C_max der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators und einem Minimum C_min der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators zu bestimmen. Hierzu wird die gezählte Anzahl n der Umladungen, d. h. entweder der Ladungen oder der Entladungen, zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden der festgestellten Bezugszeitpunkte, genutzt.
Das Verhältnis zwischen dem Maximum C_max der sich zeitlich ändernden Kapazität des Kondensators und dem Minimum C_min der sich zeitlich ändernden Kapazität des Kondensators kann im Falle eines mittig zwischen dem oberen und dem unteren Spannungswert liegenden mittleren Spannungswert bevorzugt gemäß der folgenden Formel bestimmt werden:
In dieser Formel steht V_m für den mittleren Spannungswert und ΔV steht für den Betrag der Differenz zwischen dem mittleren Spannungswert und jeweils dem oberen Spannungswert bzw. dem unteren Spannungswert. Das Verhältnis von C_max zu C_min kann nach jedem auftretenden Extremum der sich zeitlich verändernden Kapazität neu ermittelt werden, beispielsweise um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung dient wie das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines Zeitpunktes eines Extremums einer sich zeitlich verändernden Kapazität eines Kondensators. Die Schaltung umfasst zunächst einen ersten Komparator zum Vergleichen einer am Kondensator anliegenden Spannung mit einem mittleren Spannungswert. Ein zweiter Komparator dient zum Vergleichen der am Kondensator anliegenden Spannung mit einem oberen Spannungswert und zum Vergleichen der am Kondensator anliegenden Spannung mit einem unteren Spannungswert, wobei der zweite Komparator nicht beide Vergleichsvorgänge gleichzeitig ausführen können muss. Der mittlere Spannungswert liegt zwischen dem unteren Spannungswert und dem oberen Spannungswert.
Die Schaltung umfasst weiterhin eine mit dem Ausgang des zweiten Komparators verbundene Umladeschaltung zum wiederholten Umladen des Kondensators auf den mittleren Spannungswert, wenn die vom zweiten Komparator verglichene Spannung kleiner als der untere Spannungswert oder größer als der obere Spannungswert ist. Somit bestimmt das Signal am Ausgang des zweiten Komparators, wann der Kondensator umzuladen ist, d. h. wann er zu laden ist, wenn die vom zweiten Komparator verglichene Spannung kleiner als der untere Spannungswert ist, oder wann er zu entladen ist, wenn die vom zweiten Komparator verglichene Spannung größer als der obere Spannungswert ist.
Ein Ausgang des ersten Komparators signalisiert den Zeitpunkt eines Extremums der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators, nämlich wenn die vom ersten Komparator verglichene Spannung den mittleren Spannungswert überschreitet oder unterschreitet. Das Signal am Ausgang des ersten Komparators ändert sich kurz nach dem Auftreten des Extremums der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators.
Die Umladeschaltung ist bevorzugt durch einen mit dem Ausgang des zweiten Komparators verbundenen Impulsgeber, durch eine den mittleren Spannungswert aufweisende Spannungsquelle und durch ein vom Impulsgeber angesteuertes elektronisches Schaltelement gebildet. Das elektronische Schaltelement verbindet im geschalteten Zustand die den mittleren Spannungswert aufweisende Spannungsquelle mit dem Kondensator, sodass dieser durch die Spannungsquelle geladen oder entladen wird – je nachdem ob er eine Spannung aufweist, die kleiner oder größer als der mittlere Spannungswert ist.
Die elektronische Schaltung umfasst weiterhin bevorzugt eine Schalteinheit. Die Schalteinheit ist mit dem Ausgang des ersten Komparators verbunden ist, sodass die Schalteinheit durch das Signal am Ausgang des ersten Komparators gesteuert wird. Die Ansteuerung der Schalteinheit führt dazu, dass alternativ eine Spannung mit dem unteren Spannungswert oder eine Spannung mit dem oberen Spannungswert an einen Eingang des zweiten Komparators geschaltet wird, um alternativ einen Vergleich der am Kondensator anliegenden Spannung mit dem oberen Spannungswert oder einen Vergleich der am Kondensator anliegenden Spannung mit dem unteren Spannungswert zu ermöglichen. Die Schalteinheit ist bevorzugt dazu ausgebildet, die Spannung mit dem unteren Spannungswert an einen ersten der Eingänge des zweiten Komparators zu schalten und die Spannung mit dem oberen Spannungswert an einen zweiten der Eingänge des zweiten Komparators zu schalten. Die Schalteinheit ist weiterhin bevorzugt dazu ausgebildet, die am Kondensator anliegende Spannung an den zweiten Eingang des zweiten Komparators zu schalten, wenn die Spannung mit dem unteren Spannungswert an den ersten Eingang des zweiten Komparators geschaltet ist. Die Schalteinheit ist weiterhin bevorzugt dazu ausgebildet, die am Kondensator anliegende Spannung an den ersten Eingang des zweiten Komparators zu schalten, wenn die Spannung mit dem oberen Spannungswert an den zweiten Eingang des zweiten Komparators geschaltet ist.
Die elektronische Schaltung umfasst bevorzugt weiterhin eine den unteren Spannungswert aufweisende Spannungsquelle und eine den oberen Spannungswert aufweisende Spannungsquelle, die mit der Schalteinheit verbunden sind.
Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung weist bevorzugt auch solche Merkmale auf, die oben für das erfindungsgemäße Verfahren und für bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens genannt sind. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße elektronische Schaltung bevorzugt zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1: eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung; und
2: ein Diagramm mit Kapazitäts- und Spannungsverläufen bei der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung.
1 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung. Die Schaltung umfasst zunächst einen Kondensator 01 mit einer sich zeitlich verändernden Kapazität. Die Schaltung dient dazu, Zeitpunkte von Extrema der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators 01 festzustellen. Bei dem Kondensator 01 kann es sich beispielsweise um eine Sensorkapazität eines Energy-Harvesters handeln.
Die elektronische Schaltung umfasst weiterhin einen ersten Komparator 02. Ein erster Eingang des ersten Komparators 02 ist an den Kondensator 01 angeschlossen, sodass am ersten Eingang des ersten Komparators 02 die am Kondensator 01 anliegende Spannung anliegt. An einem zweiten Eingang des ersten Komparators 02 liegt eine Spannung mit einem mittleren Spannungswert an. Das an einem Ausgang des ersten Komparators 02 ausgegebene Signal signalisiert, ob die am Kondensator 01 anliegende Spannung größer als der mittlere Spannungswert ist oder nicht.
Die elektronische Schaltung umfasst weiterhin einen zweiten Komparator 03 mit zwei Eingängen, die an eine Schalteinheit 04 angeschlossen sind. Mithilfe der Schalteinheit 04 werden die beiden Eingänge des zweiten Komparators 03 mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt. In einer ersten Stellung der Schalteinheit 04 wird der erste Eingang des zweiten Komparators 03 mit der am Kondensator 01 anliegenden Spannung beaufschlagt, während der zweite Eingang des zweiten Komparators 03 mit einer einen oberen Spannungswert aufweisenden Spannung beaufschlagt wird. Der obere Spannungswert ist die Summe aus dem mittleren Spannungswert und einer Spannungsdifferenz. In einer zweiten Stellung der Schalteinheit 04 wird der erste Eingang des zweiten Komparators 03 mit einer einen unteren Spannungswert aufweisenden Spannung beaufschlagt, während der zweite Eingang des zweiten Komparators 03 mit der am Kondensator 01 anliegenden Spannung beaufschlagt wird. Der untere Spannungswert ist die Differenz des mittleren Spannungswertes minus der Spannungsdifferenz. Durch die Umschaltmöglichkeit der Schalteinheit 04 dient der zweite Komparator 03 entweder zum Vergleichen der am Kondensator 01 anliegenden Spannung mit dem oberen Spannungswert oder zum Vergleichen der am Kondensator 01 anliegenden Spannung mit dem unteren Spannungswert. Das an einem Ausgang des zweiten Komparators 03 ausgegebene Signal signalisiert somit, ob die am Kondensator 01 anliegende Spannung im Intervall zwischen dem unteren Spannungswert und dem oberen Spannungswert liegt oder nicht. Die Schalteinheit 04 wird durch den Ausgang des ersten Komparators 02 gesteuert. Die Schalteinheit 04 wird bevorzugt durch elektronische Schalter realisiert, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind.
Der Ausgang des zweiten Komparators 03 ist zu einem Impulsgeber 06 geführt, sodass durch den Impulsgeber 06 immer dann ein kurzer Rechteckimpuls erzeugt wird, wenn die am Kondensator 01 anliegende Spannung nicht im Intervall zwischen dem unteren Spannungswert und dem oberen Spannungswert liegt.
Ein Ausgang des Impulsgebers 06 ist zu einem Schaltelement 07 geführt, welches zwischen eine den mittleren Spannungswert aufweisende Spannungsquelle (nicht gezeigt) und den Kondensator 01 geschaltet ist. Folglich führt ein Impuls am Ausgang des Impulsgebers 06 dazu, dass der Kondensator 01 mit der den mittleren Spannungswert aufweisenden Spannungsquelle verbunden wird und nach kurzer Zeit durch den stattfindenden Lade- oder Entladevorgang ebenfalls den mittleren Spannungswert aufweist.
2 zeigt ein Diagramm mit Kapazitäts- und Spannungsverläufen bei der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung. Im oberen Teil des Diagrammes ist die Abhängigkeit der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators 01 (gezeigt in 1) von der Zeit dargestellt. Dieser zeitliche Verlauf ist sinusförmig und weist eine periodische Abfolge von Maxima und Minima auf. Die in 1 gezeigte Schaltung dient dazu, die Zeitpunkte der Maxima und Minima zu bestimmen.
Im mittleren Teil des Diagrammes sind die Verläufe des Signals am Ausgang der ersten Komparators 02 (gezeigt in 1) und des Signals am Ausgang des Impulsgebers 06 (gezeigt in 1) dargestellt.
Im unteren Teil des Diagrammes ist der Verlauf der am Kondensator 01 (gezeigt in 1) anliegenden Spannung im Vergleich zum mittleren Spannungswert, zum unteren Spannungswert und zum oberen Spannungswert dargestellt. Bei dem gezeigten Beispiel beträgt der mittlere Spannungswert 1,10 V, während der untere Spannungswert 1,08 V und der obere Spannungswert 1,12 V beträgt.
Für die nachfolgende Betrachtung können eventuell am Kondensator 01 auftretende Leckströme unberücksichtigt bleiben. Grundsätzlich kann daher davon ausgegangen werden, dass bei gleichbleibender Ladung am Kondensator eine Spannungsänderung auftritt, wenn sich dessen Kapazität ändert, wie es z. B. bei Energy-Harvestern der Fall ist.
Im Zeitabschnitt zwischen 0 und 0,5 ms steigt die Kapazität, sodass die am Kondensator 01 (gezeigt in 1) anliegende Spannung sinkt. Durch das impulsartige Beaufschlagen des Kondensators 01 mit der den mittleren Spannungswert aufweisenden Spannung wird er immer wieder auf den mittleren Spannungswert aufgeladen. Zum Zeitpunkt 0,5 ms hat die sich ändernde Kapazität des Kondensators 01 ihr Maximum erreicht und beginnt nun zu sinken. Zu diesem Zeitpunkt endet das Sinken der am Kondensator 01 anliegenden Spannung und diese Spannung beginnt zu steigen, ohne dass der Kondensator 01 mit der den mittleren Spannungswert aufweisenden Spannung beaufschlagt wird. Das Steigen der am Kondensator 01 anliegenden Spannung führt dazu, dass diese Spannung den mittleren Spannungswert durchläuft und kurz nach dem Zeitpunkt des Maximums der Kapazität des Kondensators 01 überschreitet. In diesem einen Bezugszeitpunkt bildenden Moment ändert sich das Signal am Ausgang des ersten Komparators 02 (gezeigt in 1), sodass dieses Signal das Maximum der Kapazität des Kondensators 01 signalisiert. Zwar überschreitet die am Kondensator 01 anliegende Spannung den mittleren Spannungswert erst kurz nach dem Auftreten des Maximums, jedoch ist dieser Fehler klein und kann in vielen Fällen vernachlässigt werden. Dieser Fehler ist umso kleiner, je näher der untere Spannungswert und der obere Spannungswert am mittleren Spannungswert gewählt werden. In einfachen Fällen bzw. bei Verwendung anderer Schaltungseinheiten kann das Überschreiten des mittleren Spannungswertes auch erst bei Erreichen des oberen Spannungswertes detektiert werden.
Für genauere Messungen kann der Zeitpunkt des Extremums der Kapazität in der Mitte zwischen dem Abschluss des unmittelbar vorausgegangenen Umladevorganges und dem Zeitpunkt des Über- oder Unterschreitens des mittleren Spannungswertes durch die am Kondensator 01 anliegende Spannung gewählt werden. Bei einer sinusförmigen Änderung der Kapazität führt dies zu einer exakten Bestimmung des Zeitpunktes des Extremums.
Beim Zeitpunkt 1,5 ms tritt ein weiteres Extremum, nämlich ein Minimum der sich verändernden Kapazität des Kondensators 01 auf, sodass ein zweiter Bezugszeitpunkt ermittelt wird. Zwischen dem Maximum und dem Minimum der sich verändernden Kapazität des Kondensators 01, d. h. zwischen dem ersten ermittelten Bezugszeitpunkt und dem zweiten ermittelten Bezugszeitpunkt, wurden n = 37 Umladungen, nämlich n = 37 Entladungen vorgenommen. Dementsprechend ergibt sich das Verhältnis zwischen einem Maximum C_max der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators 01 und einem Minimum C_min der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators 01 zu:
Bezugszeichenliste

01: Kondensator
02: erster Komparator
03: zweiter Komparator
04: Schalteinheit
05
06: Impulsgeber
07: Schaltelement

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Zeitpunkts eines Extremums einer sich zeitlich verändernden Kapazität eines Kondensators (01), folgende Schritte umfassend: – Vergleichen einer am Kondensator (01) anliegenden Spannung (VCAP) mit einem unteren Spannungswert (VM – ΔV) und einem oberen Spannungswert (VM + ΔV); – Umladen des Kondensators (01) auf einen mittleren Spannungswert (VM), der zwischen dem unteren Spannungswert (VM – ΔV) und dem oberen Spannungswert (VM + ΔV) liegt, wenn die am Kondensator (01) anliegende Spannung (VCAP) kleiner als der untere Spannungswert (VM – ΔV) oder größer als der obere Spannungswert (VM + ΔV) ist; – Wiederholen des Umladens des Kondensators (01), wenn die am Kondensator (01) anliegende Spannung (VCAP) erneut kleiner als der untere Spannungswert (VM – ΔV) oder erneut größer als der obere Spannungswert (VM + ΔV) geworden ist; – Feststellen eines Bezugszeitpunktes, in welchem die am Kondensator (01) anliegende Spannung (VCAP) den mittleren Spannungswert (VM) durchläuft; und – Bestimmen des Zeitpunktes des Extremums in Abhängigkeit vom festgestellten Bezugszeitpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umladen des Kondensators (01) dadurch erfolgt, dass der Kondensator (01) mit einer den mittleren Spannungswert (VM) aufweisenden Spannung beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Spannungswert (VM) in der Mitte zwischen dem unteren Spannungswert (VM – ΔV) und dem oberen Spannungswert (VM + ΔV) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen des Zeitpunktes des Extremums in Abhängigkeit vom festgestellten Bezugszeitpunkt dadurch erfolgt, dass der festgestellte Bezugszeitpunkt als der Zeitpunkt des Extremums gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Spannungswert (VM – ΔV) mindestens 75% des mittleren Spannungswertes (VM) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Spannungswert (VM + ΔV) höchstens 125% des mittleren Spannungswertes (VM) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere aufeinanderfolgende der Bezugszeitpunkte festgestellt werden und dass eine Anzahl n der Umladungen zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden der festgestellten Bezugszeitpunkte gezählt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin dazu ausgebildet ist, das Verhältnis zwischen einem Maximum C_max der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators (01) und einem Minimum C_min der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators (01) zu bestimmen, welches gemäß der folgenden Formel bestimmt wird: C_max/C_min = (1 + ΔV/(V_m + ΔV))ⁿ⁺¹ wobei V_m für den mittleren Spannungswert (VM) und ΔV für den Betrag der Differenz aus dem mittleren Spannungswert (VM) und dem oberen Spannungswert (VM + ΔV) oder dem unteren Spannungswert (VM – ΔV) steht.
Elektronische Schaltung zum Bestimmen des Zeitpunkts eines Extremums einer sich zeitlich verändernden Kapazität eines Kondensators (01), folgende Komponenten umfassend: – einen ersten Komparator (02) zum Vergleichen einer am Kondensator (01) anliegenden Spannung (VCAP) mit einem mittleren Spannungswert (VM); – einen zweiten Komparator (03) zum Vergleichen der am Kondensator (01) anliegenden Spannung (VCAP) mit einem oberen Spannungswert (VM + ΔV) und mit einem unteren Spannungswert (VM – ΔV), wobei der mittlere Spannungswert (VM) zwischen dem unteren Spannungswert (VM – ΔV) und dem oberen Spannungswert (VM + ΔV) liegt; und – eine mit dem Ausgang des zweiten Komparators (03) verbundene Umladeschaltung (06, 07) zum Umladen des Kondensators (01) auf den mittleren Spannungswert (VM), wenn die vom zweiten Komparator verglichene Spannung (VCAP) kleiner als der untere Spannungswert (VM – ΔV) oder größer als der obere Spannungswert (VM + ΔV) ist; wobei ein Ausgang des ersten Komparators (02) den Zeitpunkt eines Extremums der sich zeitlich verändernden Kapazität des Kondensators (01) signalisiert, wenn die vom ersten Komparator (02) verglichene Spannung den mittleren Spannungswert (VM) durchläuft.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umladeschaltung (06, 07) durch einen mit dem Ausgang des zweiten Komparators (03) verbundenen Impulsgeber (06), durch eine den mittleren Spannungswert (VM) aufweisende Spannungsquelle und durch ein vom Impulsgeber (06) angesteuertes elektronisches Schaltelement (07) gebildet ist, welches im geschalteten Zustand die den mittleren Spannungswert (VM) aufweisende Spannungsquelle mit dem Kondensator (01) verbindet.