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Die vorliegende Erfindung betrifft im weiteren Sinne so genannte Energie-Harvester, die auf dem elektrostatischen Prinzip einer veränderlichen Kapazität beruhen. Konkret betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Betrieb eines solchen kapazitiven Energie-Harvesters, nämlich eine elektrische Schaltungsanordnung. Ebenso betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Messung der Erzeugerleistung eines kapazitiven Energie-Harvesters.
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Beim so genannten Energie-Harvesting geht es um die Gewinnung kleiner Mengen elektrischer Energie, die insbesondere für die Versorgung mobiler Geräte genutzt werden kann, sodass ein Anschluss an ein übergeordnetes Energieversorgungsnetz entfallen kann. Es sind verschiedene Ansätze für eine solche Energiegewinnung bekannt geworden, beispielsweise die Nutzung des piezoelektrischen Effekts oder des fotoelektrischen Effekts.
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Aus der
DE 10 2012 215 600 A1 ist ein kapazitiver Energiewandler und ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Energiewandlers bekannt. Der kapazitive Energiewandler umfasst relativ zueinander bewegbare Elektroden, wobei sich die Kapazität der Anordnung bei einer mechanischen Anregung verändert. In diesem Dokument sind auch verschiedene grundsätzliche Schaltungsanordnungen beschrieben, die sich für den Betrieb des kapazitiven Energiewandlers grundsätzlich eignen. In jedem Fall ist dabei eine Elektrode der veränderlichen Kapazität an Massepotenzial geschaltet.
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Ein Problem aller bisher bekannten Schaltungsanordnungen für kapazitive Energie-Harvester besteht darin, dass die vom Energie-Harvester durch Wandlung von mechanischer in elektrische Energie bereitgestellte Energiemenge sehr gering ist und häufig schon zu wesentlichen Anteilen durch die für den Betrieb erforderliche Schaltungsanordnung verbraucht wird.
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In der angefügten 1 ist eine Anordnung aus Dimitri Galayko et al. „AMS modeling of controlled switch for design optimization of capacitive vibration enrgy harvester", BMAS 2007, Seite 115–120, IEEE International 20.09.2007 wiedergegeben, die eine Ladungspumpe realisiert, um den kapazitiven Energie-Harvester betreiben zu können. Diese Schaltungsanordnung geht davon aus, dass der Energie-Harvester in einem Zyklus mit konstanter Ladung betrieben wird. Wenn die Kapazität durch Relativbewegung der Elektroden des Harvesterkondensators Cvar verändert wird, muss die gewandelte elektrische Energie in einen Speicherkondensator Cstore übertragen werden. Gleichzeitig ist in dem nötigen Kreisprozess eine Rückführung eines Teils der Energie in einen Rückladekondensator Cres erforderlich. Für die Steuerung dieses Wandlungsvorgangs ist eine elektrische Schaltung mit Schaltern und elektronischen Bauteilen nötig, deren prinzipieller Aufbau in der Druckschrift zwar erwähnt ist, deren praktische Umsetzung allerdings bisher nicht zufriedenstellend gelöst wurde. Aus der 1 ist ersichtlich, dass ein elektrischer Verbraucher Rload parallel zum Rückladekondensator Cres geschaltet ist.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnungen zum Betrieb eines kapazitiven Energie-Harvesters zeigen das Problem, dass die tatsächlich vom Energie-Harvester erzeugte elektrische Energie nicht hinreichend genau gemessen werden kann, da einerseits der Wirkungsgrad der notwendigen Steuerschaltung begrenzt ist und andererseits über komplexe Messanordnungen Energie in das System eingekoppelt wird, insbesondere über elektrische oder magnetische Felder, die das Messergebnis in unbekannter Höhe verfälscht. In den bekannten Schaltungsanordnungen ist das allgemeine Problem der gleichzeitigen und verlustarmen Ladungsrückführung auf eine Eingangskapazität (Speicherkondensator) und der Speisung eines elektrischen Verbrauchers bisher nicht gelöst.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Anordnung zum Betrieb eines kapazitiven Energie-Harvesters anzugeben, welche abgesehen von einer anfänglichen Initialladung einen autarken Betrieb des Energie-Harvesters ermöglicht und eine verlustarme Ladungsrückführung auf eine Eingangskapazität (nachfolgend auch Speicherkondensator genannt) gestattet. Die Funktionsweise der Anordnung soll sichergestellt sein, sobald ein elektrischer Verbraucher angeschlossen ist. Die Anordnung soll außerdem eine genaue Messung der vom Energie-Harvester erzeugten elektrischen Energie ermöglichen.
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Diese und weitere Aufgaben werden durch eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 bzw. dem nebengeordneten Anspruch 2 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Anordnung benötigt nur sehr wenige elektrische Schaltungselemente. Zunächst ist ein kapazitiver Harvesterkondensator vorgesehen, dessen erste und zweite Elektroden zueinander beweglich sind, um bei gleichbleibender Ladung und Auftreten einer Anregungsbewegung eine Kapazitätsänderung zu bewirken. Die ersten und zweiten Elektroden können jeweils als Elektrodengruppen aufgebaut sein, um die Effizienz des Harvester-Kondensators zu erhöhen. Die Kapazitätsänderung kann durch eine orthogonale oder eine parallele Bewegung der Elektroden zueinander erzielt werden. Insbesondere sind Ausführungsformen möglich, bei denen zahlreiche Elektrodensegmente relativ zueinander rotieren, wie es von einem klassischen Drehkondensator bekannt ist. Im einfachsten Fall wird zum Bewirken der Kapazitätsänderung lediglich der Abstand von zwei sich gegenüberstehenden Elektrodenplatten alternierend verändert.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst weiterhin einen Speicherkondensator, dessen zweite Elektrode an die zweite Elektrode des Harvesterkondensators geschaltet ist. Darüber hinaus ist eine erste Diode vorgesehen, deren Anode an die erste Elektrode des Speicherkondensators geschaltet ist und deren Kathode an die erste Elektrode des Harvesterkondensators geschaltet ist. Die ersten Elektroden des Speicherkondensators und des Harvesterkondensators sind somit über die erste Diode verbunden, während die zweiten Elektroden dieser beiden Kondensatoren unmittelbar zusammengeschaltet sind.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst darüber hinaus eine zweite Diode, deren Anode an die erste Elektrode des Harvesterkondensators geschaltet ist und deren Kathode an einen elektrischen Verbraucher geschaltet ist, der mit seinem zweiten Kontakt an die Anode der ersten Diode geschaltet ist. Der elektrische Verbraucher ist damit parallel geschaltet zu der Reihenschaltung aus erster und zweiter Diode.
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Der Strom, der durch den Verbraucher fließt, geht damit nicht auf ein Massepotenzial sondern führt gleichzeitig Ladungen auf den Speicherkondensator (Eingangskapazität) zurück, sodass diese Ladungen dem Energie-Harvester unbegrenzt zur Verfügung stehen. Ein Abfluss zum Massepotenzial findet nicht statt, vielmehr stimmt der Strompfad für den Verbraucher mit dem Strompfad für die Ladungsrückführung überein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Verbraucher durch eine Messeinrichtung, insbesondere ein Spannungsmessgerät ersetzt sein oder ein solches umfassen. Sofern lediglich die tatsächlich vom Energie-Harvester gelieferte elektrische Energie bzw. Leistung bestimmt werden soll, ersetzt das Spannungsmessgerät den Verbraucher. Die Ladungsrückführung findet dann über das Spannungsmessgerät, d.h. dessen Innenwiderstand statt. Der fließende Strom ergibt sich dann aus dem Ohmschen Gesetz I = U/R, die Leistung aus P = U·I und die Energie aus E = P·t. Eine solche Messeinrichtung muss nicht besonders hochohmig ausgeführt sein. Beispielsweise kann der Messwiderstand des Spannungsmessgeräts im Bereich von 10 MΩ liegen. Ist die Messeinrichtung stattdessen sehr hochohmig ausgeführt, kann sie parallel zum elektrischen Verbraucher betrieben werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anordnung ein Initialladeelement, welches zumindest temporär angekoppelt wird, um zur ersten Inbetriebnahme des Energie-Harvesters dem Harvesterkondensator eine Initialladung einzuprägen. Da ein Ladungsabfluss zum Massepotenzial nicht stattfindet, genügt diese anfängliche Initialladung, um die gesamte Anordnung dauerhaft in Betrieb zu erhalten. Ein Nachladen des Harvesterkondensators erfolgt automatisch über die über den Verbraucher zurückgeführten Ladungen, sodass das Initialladeelement abgekoppelt werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Anordnung umfasst weiterhin einen Ladekondensator, der als Energiespeicher im Rückführzweig eingesetzt wird. Der Ladekondensator ist dazu mit einer Elektrode an die Kathode der zweiten Diode geschaltet und mit seiner zweiten Elektrode entweder an die zweite Elektrode des Harvesterkondensators oder an die Anode der ersten Diode.
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Vorzugsweise ist nicht nur eine Potenzialtrennung des Harvesterkondensators gegenüber dem Massepotenzial vorgesehen, sondern es findet eine vollständige Potenzialtrennung der gesamten Schaltungsanordnung gegenüber dem Massepotenzial statt.
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Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die vorgeschlagene Anordnung sowohl zur Messung als auch Charakterisierung der Leistungsfähigkeit eines kapazitiven Energie-Harvesters genutzt werden kann als auch zu dessen Betrieb, wenn ein elektrischer Verbraucher angeschlossen wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Schaltungsanordnung potenzialfrei aufgebaut ist und daher auch unerwünschte Energieeinkopplungen, die beispielsweise über das Massepotenzial auftreten können, ausgeschlossen sind. In Bezug auf die Bestimmung der Leistungsfähigkeit eines Energie-Harvesters ist von Vorteil, dass aufgrund der Identität der Strompfade für den Verbraucher und den Ladungsrückführstrom, die innerhalb des Gesamtsystems vorhandene Ladungsmenge konstant ist und daher mit dem Messgerät die real am Harvester gewonnene Energie bestimmbar wird. Verluste durch Ladungspumpen oder Wandler, wie sie in anderen Schaltungen Verwendung finden, treten gemäß der Schaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung nicht auf.
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Da in der vorgeschlagenen Anordnung auf gesteuerte Schalter verzichtet werden kann, wird für solche Elemente keine Energie benötigt, sodass die vom Energie-Harvester bereit gestellte Energie dem eigentlichen Verbraucher zur Verfügung steht.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass insbesondere bei Anwendungsfällen zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit des Energie-Harvesters die jeweils erzeugte Energie über den Verbraucher unmittelbar wieder verbraucht wird, sodass an den Kapazitäten keine übermäßig hohen Spannungen auftreten, die den Schaltungsaufbau insgesamt komplizierter gestalten würden. Vielmehr ist in der vorgeschlagenen Anordnung der Strom der charakteristische Wert für die Leistungsfähigkeit des Energie-Harvesters. Dieser Strom ergibt sich aus der pro Bewegungszyklus der Elektroden des Harvesterkondensators jeweils transferierten Ladung und der auftretenden Zyklusfrequenz.
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Schließlich ist ein Vorteil darin zu sehen, dass selbst beim Auftreten eines Kurzschlusses an den Anschlussklemmen des Verbrauchers weder die Anordnung zerstört wird noch die Initialladung des Harvesterkondensators verloren geht, sodass der Betrieb nach Beseitigung des Kurzschlusses ohne Weiteres fortgesetzt werden kann.
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Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1: eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik;
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2: ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Anordnung zum Betrieb eines kapazitiven Energie-Harvesters;
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3: ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Anordnung zur Messung der Erzeugerleistung eines kapazitiven Energie-Harvesters;
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4: ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform mit einem elektrischen Verbraucher und mit einer Messeinrichtung;
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5: ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Anordnung mit einem Ladekondensator;
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6: ein Schaltbild einer Anordnung mit dem Ladekondensator an einer veränderten Schaltungsposition.
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2 zeigt das Schaltbild einer grundlegenden, einfachen Ausführung einer Anordnung zum Betrieb eines kapazitiven Energie-Harvesters. Ein Harvesterkondensator Cvar besitzt mindestens zwei Elektroden, die zueinander beweglich sind, um eine Kapazitätsänderung hervorzurufen. Ein Speicherkondensator Cres ist mit seiner zweiten Elektrode direkt mit der zweiten Elektrode des Harvesterkondensators Cvar elektrisch verbunden. Die erste Elektrode des Speicherkondensators Cres ist an die Anode einer ersten Diode D1 geschaltet, wobei die Kathode der ersten Diode D1 an die erste Elektrode des Harvesterkondensators Cvar und gleichzeitig an die Anode einer zweiten Diode D2 geschaltet ist. Schließlich ist ein elektrischer Verbraucher Rload zwischen der Anode der ersten Diode D1 und der Kathode der zweiten Diode D2 geschaltet. Werden die Elektroden des Harvesterkondensators zueinander bewegt, so ändert sich die Kapazität bei gleichbleibender Ladung, da sich der wirksame Abstand zwischen den Elektroden ändert. Daraus resultiert ein Potenzialunterschied über dem elektrischen Verbraucher, sodass ein Strom über den Verbraucher Rload fließt. Identisch mit dem Verbraucherstrom werden Ladungen zum Speicherkondensator Cres transportiert, sodass über die erste Diode D1 eine erneute Aufladung des Harvesterkondensators Cvar erfolgt, bis dort wieder dasselbe Potenzial wie am Speicherkondensator Cres anliegt. Durch erneute Kapazitätsänderung am Harvesterkondensator Cvar wird der Zyklus erneut in Gang gesetzt.
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Um den Energie-Harvester in Betrieb zu nehmen, ist eine Initialladung erforderlich, die von einem Initialladeelement bereit gestellt wird. Das Initialladeelement umfasst eine Spannungsquelle V_INITIAL, eine Ladediode DL und einen Schalter SW zur temporären Ankopplung der Stromquelle an den Energie-Harvester. Beim Schließend des Schalters SW wird der Speicherkondensator Cres aufgeladen, bis an seinen Elektroden dieselbe Spannung wie an der Spannungsquelle anliegt. Nachdem die Initialladung vorgenommen wurde, kann das Initialladeelement vollständig abgekoppelt werden, indem der Schalter SW geöffnet wird.
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3 zeigt das Schaltbild einer nur geringfügig abgewandelten Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 2 nur dahingehend unterscheidet, dass der elektrische Verbraucher Rload durch ein Messgerät, insbesondere ein Spannungsmessgerät ersetzt ist. Das Spannungsmessgerät übernimmt in Bezug auf die Rückführung der Ladungen dieselbe Funktion wie der elektrische Verbraucher R. Es muss sich somit um ein Spannungsmessgerät handeln, welches einen ohmschen Messwiderstand aufweist, sodass ein Messstrom fließen kann. Alternativ kann ein Strommessgerät mit einem Innenwiderstand > 0 Ohm verwendet werden. Diese Schaltungsanordnung wird insbesondere zur Messung der Erzeugerleistung des Energie-Harvesters verwendet.
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4 zeigt das Schaltbild einer nochmals abgewandelten Ausführungsform, bei welcher der elektrische Verbraucher Rload identisch zur Anordnung gemäß 2 geschaltet ist und eine elektronische Messeinrichtung den Spannungsabfall über dem elektrischen Verbraucher Rload misst. Die elektronische Messeinrichtung umfasst dazu einen Operationsverstärker OPV, eine Auswerteschaltung und eine Anzeige.
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5 zeigt das Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform unter Verwendung des elektrischen Verbrauchers. Die Änderung besteht darin, dass zusätzlich ein Ladekondensator Cstore in die Schaltung integriert ist. Dieser dient insbesondere zur Zwischenspeicherung, Glättung, Mittelwertbildung bzw. Spannungsspitzenvermeidung bevor die gewonnene Energie wieder "verbraucht" wird. Die erste Elektrode des Ladekondensators Cstore ist an die Kathode der zweiten Diode D2 geschaltet, während die zweite Elektrode des Ladekondensators Cstore unmittelbar mit der zweiten Elektrode des Harvesterkondensators Cvar und damit auch mit der zweiten Elektrode des Speicherkondensators Cres verbunden ist. Auch in dieser Schaltung ist das Initialladeelement eingezeichnet, welches den Speicherkondensator Cres mit einer Initialladung speist. Der elektrische Verbraucher Rload kann ein ohmscher Widerstand sein oder eine Messschaltung oder eine Kombination aus beidem. Damit wird deutlich, dass der Ladekondensator auch in den Schaltungen gemäß 3 und 4 zum Einsatz kommen kann. Ein Vorteil des Ladekondensators ist vor allem, dass die gelieferte Energie kontinuierlicher zur Verfügung steht und sich damit auch die Messung vereinfacht.
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6 zeigt schließlich ein Schaltbild einer nochmals abgewandelten Ausführungsform, bei welcher als elektrischer Verbraucher ein Messgerät eingezeichnet ist. Auch in diesem Fall ist ein Ladekondensator Cstore vorhanden, dessen erste Elektrode an die Kathode der zweiten Diode D2 geschaltet ist. Der Unterschied der zuvor beschriebenen Ausführungsform besteht darin, dass die zweite Elektrode des Ladekondensators Cstore an die Anode der ersten Diode D1 geschaltet ist und damit gleichzeitig an die erste Elektrode des Speicherkondensators Cres. Der Ladekondensator liegt damit elektrisch parallel zum Messgerät. Auch diese Schaltungsanordnung kann verwendet werden, wenn anstelle des Messgeräts ein ohmscher Widerstand als Verbraucher oder eine Kombination aus einem Verbraucher und einem Messgerät eingesetzt wird.
- Cvar
- – Harvesterkondensator
- Cres
- – Speicherkondensator
- D1
- – erste Diode
- D2
- – zweite Diode
- Rload
- – Verbraucher
- V_INITIAL
- – Spannungsquelle
- DL
- – Ladediode
- SW
- – Schalter
- OPV
- – Operationsverstärker
- Cstore
- – Ladekondensator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012215600 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Dimitri Galayko et al. „AMS modeling of controlled switch for design optimization of capacitive vibration enrgy harvester“, BMAS 2007, Seite 115–120, IEEE International 20.09.2007 [0005]
