DE102017103690A1 - Device with a device for generating electrical energy from the environment and with a device electronics with very low power consumption - Google Patents

Device with a device for generating electrical energy from the environment and with a device electronics with very low power consumption Download PDF

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Holger KAUL
Francisco Mendoza Cervantes
Guruprasad Sosale
Jörg Gebhardt
Jörn Kurse
Thomas Rodenbusch-Mohr
Ulf Ahrend
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/613—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in parallel with the load as final control devices

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät (1) mit einer Vorrichtung (2) zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Umgebung, wobei die Vorrichtung (2) eine Gleichspannungsquelle (3) darstellt, und mit einer Geräteelektronik (5) mit sehr niedriger Leistungsaufnahme und mit einer Spannungsbegrenzerschaltung (6), die zwischen der Gleichspannungsquelle (3) und der Geräteelektronik (5) angeordnet ist, wobei die Gleichspannungsquelle (3) und die Spannungsbegrenzerschaltung (6) ein gemeinsames Bezugspotential (7) haben. Die Spannungsbegrenzerschaltung (6) hat eine Spannungsreferenz (V1) und eine Vergleichsvorrichtung (9), welche die von der Gleichspannungsquelle (3) erzeugte Gleichspannung (V2) mit der Spannungsreferenz (V1) vergleicht, und die Spannungsbegrenzerschaltung (6) hat eine von der Vergleichsvorrichtung (9) aktivierbare Absenkungsschaltung (10), die bei Aktivierung die Ausgangsseite der Gleichspannungsquelle (3) auf das Bezugspotential (7) hin herabzieht, wobei die Absenkungsschaltung (10) so lange von der Vergleichsvorrichtung (9) aktiviert ist, wie die von der Gleichspannungsquelle (3) erzeugte Gleichspannung (V2) größer ist als die Spannungsreferenz (V1), wobei die Vergleichsvorrichtung (9) einen Differenzverstärker (Q1, Q6) mit niedrigem Ruhestrom umfasst.

Figure DE102017103690A1_0000
The invention relates to a device (1) with a device (2) for generating electrical energy from the environment, said device (2) is a DC voltage source (3), and with a device electronics (5) with very low power consumption and with a Spannungsbegrenzerschaltung (6), which is arranged between the DC voltage source (3) and the device electronics (5), wherein the DC voltage source (3) and the Spannungsbegrenzerschaltung (6) have a common reference potential (7). The voltage limiter circuit (6) has a voltage reference (V1) and a comparator (9) which compares the DC voltage (V2) generated by the DC voltage source (3) with the voltage reference (V1), and the voltage limiter circuit (6) has one from the comparator (9) activatable lowering circuit (10) which, when activated, pulls down the output side of the DC voltage source (3) to the reference potential (7), the lowering circuit (10) being activated by the comparator (9) as long as that from the DC voltage source (3) generated DC voltage (V2) is greater than the voltage reference (V1), wherein the comparison device (9) comprises a differential amplifier (Q1, Q6) with a low quiescent current.
Figure DE102017103690A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät mit einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Umgebung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a device with a device for generating electrical energy from the environment according to the preamble of claim 1.

Eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Umgebung wird auch als „Energy Harvester“ bezeichnet.A device for generating electrical energy from the environment is also referred to as an "energy harvester".

Ein Beispiel für ein Gerät mit einem Energy Harvester ist ein Sensor, wie er im Bereich der Gebäudeüberwachung und Gebäudeautomatisierung eingesetzt wird, aber auch im Bereich der verfahrenstechnischen Industrie oder der Fabrikautomation. Ein solcher Sensor ist oft als ein sogenannter intelligenter Sensor ausgeführt. Ein Sensor umfasst wenigstens ein Sensorelement zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe in seiner Umgebung, beispielsweise Temperatur, Luftdruck, Feuchtigkeit, Beleuchtungsstärke, Gaszusammensetzung, Bewegung, etc.. Daneben umfasst ein Sensor eine Sensorelektronik. In der Sensorelektronik können unterschiedliche Funktionen realisiert sein, so beispielsweise eine Messsignalvorverarbeitung, wie Filterung, Verstärkung oder dergleichen, eine Diagnosefunktion zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Sensors, oder auch eine Kommunikationsschnittstelle zur Übertragung der Messdaten an eine entfernte, übergeordnete Einheit oder einen Benutzer. Intelligente Sensoren haben dazu einen Mikroprozessor mit zugeordnetem Speicher, auf dem ein entsprechendes Arbeitsprogramm zur Erfüllung der Sensorfunktionen und zur Abwicklung der Kommunikation des Sensors abläuft.An example of a device with an energy harvester is a sensor used in building monitoring and building automation, but also in the process industry or factory automation. Such a sensor is often designed as a so-called intelligent sensor. A sensor comprises at least one sensor element for detecting a physical or chemical variable in its surroundings, for example temperature, air pressure, humidity, illuminance, gas composition, movement, etc. In addition, a sensor comprises sensor electronics. Various functions can be implemented in the sensor electronics, such as measurement signal preprocessing, such as filtering, amplification or the like, a diagnostic function for checking the functionality of the sensor, or also a communication interface for transmitting the measured data to a remote, higher-level unit or a user. Intelligent sensors have a microprocessor with associated memory, on which runs a corresponding work program to fulfill the sensor functions and to handle the communication of the sensor.

Bezüglich der Kommunikationsverbindung sind solche Sensoren heute bereits oft mit drahtlosen Kommunikationsschnittstellen ausgestattet, so dass sie Daten und Anweisungen drahtlos, über Funk beispielsweise, mit einem entfernten Benutzer austauschen können.With regard to the communication connection, such sensors are today often already equipped with wireless communication interfaces, so that they can exchange data and instructions wirelessly, via radio, for example, with a remote user.

Um auch keine Kabel zur elektrischen Energieversorgung anschließen zu müssen, werden solche Sensoren bereits häufig mit Batterien als elektrische Energiespeicher ausgerüstet. Die Sensorelektronik ist dazu für einen sehr niedrigen Energieverbrauch im Betrieb ausgelegt, etwa im Bereich von 10 µW bis 1 mW. Dennoch müssen Batterien von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden, was dann einen Wartungsaufwand zur Folge hat.In order not to have to connect cables for electrical power supply, such sensors are already often equipped with batteries as electrical energy storage. The sensor electronics are designed for very low power consumption in operation, for example in the range of 10 μW to 1 mW. However, batteries must be replaced from time to time, which then results in a maintenance effort.

Deshalb ist es bekannt geworden, Sensoren mit einem Energy Harvester zu versehen, einer Vorrichtung zur Energieerzeugung aus der Umgebung. Es sind Energy Harvester unterschiedlicher Art bekannt geworden, die unterschiedliche, in der Umgebung des Sensors verfügbare Energieformen zur Wandlung in elektrische Energie nutzen, so beispielsweise photvoltaische Zellen, Thermoelektrische Wandler, Induktive Wandler etc. Oft hat der Sensor neben dem Energy Harvester auch noch eine wiederaufladbare Batterie, die mit überschüssiger Energie aus dem Energy Harvester gespeist wird und in Zeiten, in denen der Energy Harvester keine Energie liefert, die Energieversorgung des Sensors übernimmt. Ein solcher Sensor mit Energy Harvester und wiederaufladbarer Batterie ist dann energiemäßig autark. Die Sensorelektronik eines Sensors mit Energy Harvester umfasst dazu noch eine Power Management -Funktionalität. Das Power Management erfüllt eine reihe von einzelnen Funktionen, beispielsweise Spannungswandlung, Impedanzanpassung, Steuerung und Regelung der Energiespeicherung.Therefore, it has become known to provide sensors with an energy harvester, a device for generating energy from the environment. Energy harvesters of various kinds have become known, which use different forms of energy available in the vicinity of the sensor for conversion into electrical energy, such as photovoltaic cells, thermoelectric converters, inductive converters, etc. Often the sensor has a rechargeable energy source in addition to the energy harvester Battery that is supplied with excess energy from the Energy Harvester and, in times when the Energy Harvester is not providing energy, will power the sensor. Such a sensor with energy harvester and rechargeable battery is then energy self-sufficient. The sensor electronics of a sensor with energy harvester also includes power management functionality. Power management performs a number of individual functions, such as voltage conversion, impedance matching, energy storage control and regulation.

Bei Verwendung eines Energy Harvesters besteht die Gefahr, dass es gelegentlich zu Überspannungen am Eingang der Sensorelektronik kommt. Um die Sensorelektronik vor solchen Überspannungen zu schützen, ist es bekannt, die Sensorelektronik an ihrem Eingang mit einer Diodenschaltung zu schützen, bevorzugt mit wenigstens einer Zenerdiode, die die Spannung begrenzen, indem bei Auftreten einer Überspannung eine Entladung über der Diode erfolgt. Dioden und Zenerdioden weisen allerdings üblicherweise Leckströme im Bereich von typischerweise 50 µA auf, und einen Fehler bezüglich der Spannungsbegrenzung im Bereich von 5% bis 10%, abhängig von Temperatur und Leckstrom. Bei einer als Low-Power Elektronik ausgeführten Sensorelektronik mit einer, wie oben beschrieben, typischen Leitungsaufnahme von beispielsweise 100 µW, wirkt ein Leckstrom von 50 µA sehr störend.When using an energy harvester, there is a risk of overvoltage at the input of the sensor electronics. In order to protect the sensor electronics against such overvoltages, it is known to protect the sensor electronics at its input with a diode circuit, preferably with at least one Zener diode, which limit the voltage by discharging over the diode when an overvoltage occurs. However, diodes and zener diodes typically have leakage currents in the range of typically 50 μA, and a voltage-limiting error in the range of 5% to 10%, depending on temperature and leakage current. In a designed as a low-power electronics sensor electronics with a, as described above, typical power consumption of, for example, 100 uW, a leakage current of 50 uA is very disturbing.

Es ist daher die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Gerät mit einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Umgebung, wobei die Vorrichtung eine Gleichspannungsquelle darstellt, und mit einer Geräteelektronik mit sehr niedriger Leistungsaufnahme und mit einer Spannungsbegrenzerschaltung so zu verbessern, dass eine sehr geringe Verlustleistung in der Spannungsbegrenzerschaltung erreicht wird.It is therefore the object underlying the present invention to improve a device with a device for generating electrical energy from the environment, wherein the device is a DC voltage source, and with a device electronics with very low power consumption and with a Spannungsbegrenzerschaltung so that a very low Power loss is achieved in the Spannungsbegrenzerschaltung.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß hat die Spannungsbegrenzerschaltung eine Spannungsreferenz und eine Vergleichsvorrichtung, welche die von der Gleichspannungsquelle erzeugte Gleichspannung mit der Spannungsreferenz vergleicht, und die Spannungsbegrenzerschaltung hat eine von der Vergleichsvorrichtung aktivierbare Absenkungsschaltung, die bei Aktivierung die Ausgangsseite der Gleichspannungsquelle auf das Bezugspotential hin herabzieht, wobei die Absenkungsschaltung so lange von der Vergleicherschaltung aktiviert ist, wie die von der Gleichspannungsquelle erzeugte Gleichspannung größer ist als die Spannungsreferenz, und wobei die Vergleicherschaltung einen Differenzverstärker mit niedrigem Ruhestrom umfasst.This object is solved by a device having the features of claim 1. According to the invention, the voltage limiter circuit has a voltage reference and a comparison device which compares the DC voltage generated by the DC voltage source with the voltage reference, and the voltage limiter circuit has a lowering circuit which can be activated by the comparison device pulls down the output side of the DC voltage source to the reference potential, wherein the lowering circuit is activated by the comparator circuit as long as the DC voltage generated by the DC voltage source is greater than that Voltage reference, and wherein the comparator circuit comprises a differential amplifier with a low quiescent current.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass eine Vergleicherschaltung, die einen Differenzverstärker mit niedrigem Ruhestrom hat, durch geeignete Wahl der Bauelemente und Dimensionierung von Vorwiderständen einen wesentlich niedrigeren Leckstrom aufweist als die im Stand der Technik zur Spannungsbegrenzung verwendeten Dioden oder Zenerdioden. Damit wird eine höhere Effizienz erreicht. Ein viel geringerer Teil der vom Energy Harvester erzeugten elektrischen Energie geht durch Leckströme verloren. Dadurch kann insgesamt der Energy Harvester für eine niedrigere Energieerzeugung dimensioniert werden, ein kleinerer Energy Harvester und auch eine kleinere wiederaufladbare Batterie kann verwendet werden. Damit werden auch die Kosten für das Gerät insgesamt niedriger.It has surprisingly been found that a comparator circuit having a differential amplifier with a low quiescent current, by a suitable choice of the components and dimensioning of series resistors has a significantly lower leakage current than the diodes or zener diodes used in the prior art for limiting the voltage. This achieves a higher efficiency. A much smaller portion of the energy generated by the energy harvester is lost through leakage currents. As a result, the Energy Harvester can be dimensioned for a lower energy production, a smaller Energy Harvester and a smaller rechargeable battery can be used. This will also lower the overall cost of the device.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hat die Vergleichsvorrichtung einen Differenzverstärker mit Bipolartransistoren und wenigstens einem ohmschen Vorwiderstand mit einem Widerstandswert größer als 1 MΩ .According to an advantageous embodiment, the comparison device has a differential amplifier with bipolar transistors and at least one ohmic resistor with a resistance greater than 1 MΩ.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Absenkungsschaltung eine Darlington-Schaltung mit wenigstens zwei Bipolartransistoren.According to an advantageous embodiment of the invention, the lowering circuit comprises a Darlington circuit with at least two bipolar transistors.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein hochohmiger Spannungsteiler vorgesehen zur Ankopplung der Gleichspannungsquelle an die Vergleicherschaltung.According to an advantageous embodiment, a high-impedance voltage divider is provided for coupling the DC voltage source to the comparator circuit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Aktivierungsschaltung zur Aktivierung der Vergleichsvorrichtung vorgesehen, die mit der Gleichspannungsquelle und der Vergleichsvorrichtung verbunden ist und die Vergleichsvorrichtung nur bei Anliegen einer Gleichspannung an der Gleichspannungsquelle aktiviert. Dies ergibt eine weitere Absenkung des Leckstroms, da in Zeiträumen, in denen der Energy Harvester keine Energie liefern kann, die Vergleichsschaltung in aktiv ist und somit auch kein Leckstrom fließen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Entladung der die Referenzspannung V1 zur Verfügung stellende Batterie verringert wird, wenn die Vergleichsvorrichtung nicht durchgängig aktiviert ist.According to an advantageous embodiment, an activation circuit for activating the comparison device is provided which is connected to the DC voltage source and the comparison device and activates the comparison device only when a DC voltage is applied to the DC voltage source. This results in a further reduction of the leakage current, since during periods in which the energy harvester can not deliver energy, the comparison circuit is active and thus no leakage current can flow. A further advantage is that the discharge of the battery providing the reference voltage V1 is reduced if the comparison device is not activated continuously.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist die Aktivierungsschaltung als eine Stromspiegelschaltung mit zwei Bipolartransistoren ausgebildet.According to an advantageous embodiment, the activation circuit is designed as a current mirror circuit with two bipolar transistors.

Die Erfindung sowie weitere Ausführungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung soll nun anhand der Figuren weiter erläutert werden.The invention and further embodiments and advantages of the invention will now be explained with reference to the figures.

Es zeigen:

  • 1 schematisch und exemplarisch ein Blockschaltbild eines Gerätes nach dem Stand der Technik;
  • 2 schematisch und exemplarisch ein Blockschaltbild eines Gerätes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 schematisch und exemplarisch ein Blockschaltbild eines Gerätes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 4 schematisch eine erste Schaltung für ein Gerät wie in dem Blockschaltplan nach 2 gezeigt,
  • 5 schematisch eine zweite Schaltung für ein Gerät wie in dem Blockschaltplan nach 2 gezeigt,
  • 6 schematisch eine erste Schaltung für ein Gerät wie in dem Blockschaltplan nach 3 gezeigt.
Show it:
  • 1 schematically and exemplarily a block diagram of a device according to the prior art;
  • 2 schematically and exemplarily a block diagram of an apparatus according to a first embodiment of the invention;
  • 3 schematically and exemplarily a block diagram of a device according to a first embodiment of the invention,
  • 4 schematically a first circuit for a device as in the block diagram according to 2 shown,
  • 5 schematically a second circuit for a device as in the block diagram according to 2 shown,
  • 6 schematically a first circuit for a device as in the block diagram according to 3 shown.

Gleiche oder gleichwirkende Baugruppen oder Elemente werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.Identical or equivalent components or elements are denoted by the same reference numerals in the figures.

1 zeigt schematisch und exemplarisch im Blockschaltbild ein Gerät 1 mit einer Vorrichtung 2 zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Umgebung, kurz Energy Harvester 2. Die die Vorrichtung 2 ist im Ersatzschaltbild als eine Gleichspannungsquelle 3 mit Innenwiderstand 4 dargestellt. Das Gerät 1 hat eine Geräteelektronik 5 mit sehr niedriger Leistungsaufnahme. Zwischen der Gleichspannungsquelle 3 und der Geräteelektronik 5 ist eine Spannungsbegrenzerschaltung 6 angeordnet, zum Schutz der Geräteelektronik 5 vor Überspannungen. Die Gleichspannungsquelle 3 und die Spannungsbegrenzerschaltung 5 haben ein gemeinsames Bezugspotential 7. Die Spannungsbegrenzerschaltung enthält eine Zenerdiodenschaltung 8, es kann auch eine Schaltung mit Avalanchdioden sein, je nachdem, welche Durchbruchsspannung gewählt wird. 1 shows schematically and exemplarily in the block diagram, a device 1 with a device 2 for the generation of electrical energy from the environment, short Energy Harvester 2 , The the device 2 is in the equivalent circuit diagram as a DC voltage source 3 with internal resistance 4 shown. The device 1 has a device electronics 5 with very low power consumption. Between the DC voltage source 3 and the device electronics 5 is a voltage limiter circuit 6 arranged to protect the device electronics 5 against surges. The DC voltage source 3 and the voltage limiter circuit 5 have a common reference potential 7. The voltage limiter circuit includes a Zener diode circuit 8th It may also be a circuit with avalanche diodes, depending on which breakdown voltage is selected.

2 zeigt schematisch und exemplarisch ein Blockschaltbild eines Gerätes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Hier enthält die Spannungsbegrenzerschaltung 6 keine Zenerdiode. Die Spannungsbegrenzerschaltung 6 hat eine Spannungsreferenz V1 und eine Vergleichsvorrichtung 9, welche die von der Gleichspannungsquelle 3 erzeugte Gleichspannung V2 mit der Spannungsreferenz V1 vergleicht. Weiter hat die die Spannungsbegrenzerschaltung 6 eine von der Vergleichsvorrichtung 9 aktivierbare Absenkungsschaltung 10, die bei Aktivierung die Ausgangsseite der Gleichspannungsquelle 3 auf das Bezugspotential 7 hin herabzieht. Die Absenkungsschaltung 10 ist dabei so lange von der Vergleichsvorrichtung 9 aktiviert, wie die von der Gleichspannungsquelle 3 erzeugte Gleichspannung V2 größer ist als die Spannungsreferenz V1. Die von der Gleichspannungsquelle 3 erzeugte Gleichspannung V2 wird hier über einen Spannungsteiler R2,R3 dem Eingang der Vergleichsvorrichtung 9 zugeführt. Die Vergleichsvorrichtung 9 umfasst dazu einen Differenzverstärker mit niedrigem Ruhestrom. 2 shows schematically and exemplarily a block diagram of a device according to a first embodiment of the invention. Here contains the voltage limiter circuit 6 no zener diode. The voltage limiter circuit 6 has a voltage reference V1 and a comparison device 9 that of the DC voltage source 3 generated DC voltage V2 with the voltage reference V1 compares. Next has the voltage limiter 6 one from the comparator 9 activatable lowering circuit 10 , which when activated, the output side of the DC voltage source 3 to the reference potential 7 down draws down. The lowering circuit 10 is doing so long from the comparison device 9 activated, like that of the DC voltage source 3 generated DC voltage V2 is greater than the voltage reference V1. The from the DC voltage source 3 generated DC voltage V2 is here via a voltage divider R2, R3 the input of the comparator 9 fed. The comparison device 9 includes a differential amplifier with a low quiescent current.

4 zeigt schematisch eine erste Schaltung zur Realisierung einer Spannungsbegrenzerschaltung 6. Bei der dargestellten Schaltung handelt es sich um einen Spannungsbegrenzer mit sehr geringer Leistungsaufnahme.Er hat zwei Schnittstellen, Die erste Schnittstelle ist gebildet zu der Spanungsquelle V2 des Energy Harvesters mit dem Innenwiderstand R1. Die zweite Schnittstelle ist gebildet zu der Geräteelektronik über den Anschlusspunkt 12, „Probe-1-Node“. V1 ist eine Referenzspannungsquelle. Das kann entweder eine diskrete Referenzspannungsquelle sein, etwa in Form einer Batterie, oder eine Referenzspannung, die von einem Power Management IC abgeleitet ist. Die beiden Bipolartransistoren Q1 und Q6 bilden einen Differenzverstärker mit einem sehr geringen Ruhestrom, was durch den Widerstand R4 mit einem sehr hohen Widerstandswert, hier im Beispiel 5 MΩ, sichergestellt ist. Die Widerstände R2 und R3 mit Werten, hier lediglich beispielhaft, 8,2 MΩ und 5 MΩ, bilden einen hochohmigen Spannungsteiler, über den die Spannungsquelle V2 an die eine Eingangsseite c, an der Basis von Q1, des Differenzverstärkers Q1/Q6 angekoppelt ist. Die beiden Bipolartransistoren Q4, Q2 bilden eine Darlington-Stufe. 4 schematically shows a first circuit for implementing a Spannungsbegrenzerschaltung 6 , The circuit shown is a voltage limiter with very low power consumption. It has two interfaces. The first interface is formed to the voltage source V2 of the energy harvester with the internal resistance R1. The second interface is formed to the device electronics via the connection point 12 , "Probe 1 Node". V1 is a reference voltage source. This may be either a discrete reference voltage source, such as a battery, or a reference voltage derived from a power management IC. The two bipolar transistors Q1 and Q6 form a differential amplifier with a very low quiescent current, which is ensured by the resistor R4 with a very high resistance value, in this example 5 MΩ. The resistors R2 and R3 with values, here only by way of example, 8.2 MΩ and 5 MΩ, form a high-impedance voltage divider, via which the voltage source V2 is coupled to the one input side c, at the base of Q1, of the differential amplifier Q1 / Q6. The two bipolar transistors Q4, Q2 form a Darlington stage.

Über den Spannungsteiler R2/R3 wird eine der Spannung V2 der Energy Harvester-Spannung proportionale Teil-Spannung an die eine Eingangsseite c, an der Basis von Q1, des Differenzverstärkers Q1/Q6 angelegt. Dieser wirkt wie ein Komparator und vergleicht die proportionale Teil-Spannung mit der Referenzspannung V1. Wenn die zu V2 proportionale Teil-Spannung an der einen Eingangsseite c, an der Basis von Q1, größer als die Referenzspannung V1 wird, dann schaltet Q1 über R3 durch, wodurch auch die Darlington-Schaltung Q4/Q2 durchschaltet. Die Darlington-Schaltung Q4/Q2 zieht dabei den Anschlusspunkt a des Energy HArvesters 2 auf Bezugspotential 7. Dadurch sinkt die Eingangsspannung an Punkt c, an der Basis von Q1, des Differenzverstärkers Q1/Q6, und zwar so lange, bis die Spannung an Punkt c wieder gleich oder kleiner als die Referenzspannung V1 wird. Dann nämlich sperrt Q1 wieder, und in der Folge sperrt auch die Darlington-Stufe Q4/Q2, so dass das Potential an Punkt a des Energy Harvesters 2 wieder ansteigt, u.s.w..Via the voltage divider R2 / R3, a partial voltage proportional to the voltage V2 of the energy harvester voltage is applied to the one input side c, at the base of Q1, of the differential amplifier Q1 / Q6. This acts as a comparator and compares the proportional partial voltage with the reference voltage V1. If the partial voltage proportional to V2 at the one input side c, at the base of Q1, becomes greater than the reference voltage V1, then Q1 turns on via R3, thereby also turning on the Darlington circuit Q4 / Q2. The Darlington circuit Q4 / Q2 pulls the connection point a of the Energy HArvesters 2 to reference potential 7 , As a result, the input voltage decreases at point c, at the base of Q1, of the differential amplifier Q1 / Q6, until the voltage at point c becomes equal to or less than the reference voltage V1 again. For then Q1 blocks again, and as a result also the Darlington stage Q4 / Q2 blocks, so that the potential at point a of the energy harvester 2 rises again, etc.

Die oben beschriebene Schaltungsfunktion stellt sicher, dass die an dem Anschlusspunkt 12 zu der Geräteelektronik hin anliegende Spannung nicht über einen der Referenzspannung V1 entsprechenden Wert ansteigen kann.The circuit function described above ensures that at the connection point 12 voltage applied to the device electronics can not rise above a value corresponding to the reference voltage V1.

Um einen niedrigen Leckstrom zu erreichen, müssen die verwendeten Widerstände R2, R3, R4, R5, R6 sehr hohe Widerstandswerte haben, bevorzugt im MΩ - Bereich, jedenfalls größer als 1 MΩ. Dabei ist durch die Wahl sehr hoher Widerstandswerte für die Vorwiderstände R3, R4, und R5 sichergestellt, dass der Ruhestrom des Differenzverstärkers Q1/Q6 sehr niedrig ist, jedenfalls deutlich niedriger als der Leckstrom einer Zenerdiode oder sonstigen Diodenschaltung, wie sie im Stand der Technik für die Spannungsbegrenzung allein bekannt ist. Beispielhaft sind hier Widerstandswerte von 5 MΩ für R3 und R4 und 10 MΩ für R5 angegeben. Da der Ruhestrom des Differenzverstärkers Q1/Q6 aufgrund der hohen Widerstandswerte der eingesetzten Widerstände sehr niedrig ist, benötigen die Transistoren der Darlington-Stufe Q4/Q2 eine sehr hohe Stromverstärkung, um im durchgeschalteten Zustand einen ausreichend hohen Strom zu führen, um die Potentialabsenkung an Punkt a des Energy Harvesters bewirken zu können. Deshalb sind die zur Stromverstärkung eingesetzten Transistoren hier vom Typ Bipolartransistor.In order to achieve a low leakage current, the resistors R2, R3, R4, R5, R6 used must have very high resistance values, preferably in the MΩ range, in any case greater than 1 MΩ. It is ensured by the selection of very high resistance values for the series resistors R3, R4, and R5 that the quiescent current of the differential amplifier Q1 / Q6 is very low, at least significantly lower than the leakage current of a Zener diode or other diode circuit, as in the prior art the voltage limit alone is known. By way of example, resistance values of 5 MΩ for R3 and R4 and 10 MΩ for R5 are specified here. Since the quiescent current of the differential amplifier Q1 / Q6 is very low due to the high resistance values of the resistors used, the transistors of the Darlington stage Q4 / Q2 require a very high current gain in order to pass a sufficiently high current in the switched-through state to reduce the potential at point a of the Energy Harvester. Therefore, the transistors used for current amplification are of the bipolar transistor type.

Anstatt wie hier im Beispiel mit diskreten Transistoren könnte eine entsprechende Schaltung auch mit Operationsverstärkern oder integrierten Schaltkreisen aufgebaut sein. Das Schaltungsprinzip bleibt dabei immer dasselbe: Zuerst wird die Eingangsspannung an der Spannungsbegrenzerschaltung mit einer Referenzspannung verglichen. Dann, wenn die relative Eingangsspannung höher ist als die Referenzspannung, senkt eine zusätzliche Schaltung, hier allgemein als Absenkerschaltung bezeichnet, den Strom hin zum Bezugspotential ab. Auf diese Weise bleibt die Ausgangsspannung der Spannungsbegrenzerschaltung immer unterhalb eines durch die Referenzspannung bestimmten Schwellwertes.Instead, as here in the example with discrete transistors, a corresponding circuit could also be constructed with operational amplifiers or integrated circuits. The circuit principle always remains the same: First, the input voltage at the voltage limiter circuit is compared with a reference voltage. Then, when the relative input voltage is higher than the reference voltage, an additional circuit, generally referred to herein as a sinker circuit, lowers the current to the reference potential. In this way, the output voltage of the voltage limiter circuit always remains below a threshold value determined by the reference voltage.

5 zeigt eine Variante der Schaltung nach 4. Hier umfasst die Darlington-Schaltung zur Stromabsenkung drei PNP-Transistoren Q2, Q3, Q4. 5 shows a variant of the circuit after 4 , Here, the Darlington current reduction circuit includes three PNP transistors Q2, Q3, Q4.

3 zeigt schematisch und exemplarisch ein Blockschaltbild eines Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Hier ist zusätzlich noch eine Aktivierungsschaltung 11 zur Aktivierung der Vergleichsvorrichtung 9 vorgesehen, die mit der Gleichspannungsquelle 3 und der Vergleichsvorrichtung 9 verbunden ist und die Vergleichsvorrichtung 9 nur bei Anliegen einer Gleichspannung an der Gleichspannungsquelle 3 aktiviert. 3 shows schematically and exemplarily a block diagram of a device according to another embodiment of the invention. Here is also an activation circuit 11 for activating the comparison device 9 provided with the DC voltage source 3 and the comparison device 9 is connected and the comparison device 9 only when applying a DC voltage to the DC voltage source 3 activated.

Eine mögliche schaltungstechnische Realisierung für die Aktivierungsschaltung 11 zeigt 6. Hier ist der Vorwiderstand R4 aus 4 ersetzt worden durch einen Stromspiegel, umfassend die beiden Transistoren Q7, Q8. Der Stromspiegel Q7/Q8 wirkt wie ein Schalter und aktiviert den Differenzverstärker Q1/Q6 nur, wenn am Energy Harvester 2 überhaupt eine Gleichspannung erzeugt wird. Wenn am Punkt a des Energy Harvesters 2 keine Spannung anliegt, dann ist der Schalter Q7/Q8 abgeschaltet und es fließt auch kein Ruhestrom im Differenzverstärker Q1/Q6. Das verringert den Leckstrom der Schaltung insgesamt weiter.A possible circuit implementation for the activation circuit 11 shows 6 , Here is the resistor R4 off 4 replaced by a current mirror comprising the two transistors Q7, Q8. The current mirror Q7 / Q8 acts like a switch and activates the differential amplifier Q1 / Q6 only when on the Energy Harvester 2 even a DC voltage is generated. If at point a of the Energy Harvesters 2 no voltage is applied, then the switch Q7 / Q8 is switched off and there is no quiescent current in the differential amplifier Q1 / Q6. This further reduces the leakage current of the circuit as a whole.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach 3 bzw. 6 ist dadurch gegeben, dass die Referenzspannungsquelle nur dann belastet wird und Ladung abgibt, über den Transistor Q6, wenn der der Energy Harvester 2 aktiv ist und eine Gleichspannung erzeugt. Wenn die Referenzspannungsquelle eine Batterie ist, wird deren Entladung somit verzögert und deren Lebensdauer verlängert, wenn der Transistor Q6 gelegentlich abgeschaltet ist in Zeiten, zu denen der Energy Harvester keine Spannung erzeugt und die Geräteelektronik über eine wiederaufladbare Batterie versorgt wird. Es sind neben der hier in 6 gezeigten noch andere mögliche Ausgestaltungsformen für Stromspiegelschaltungen bekannt, diese können alternativ zu der hier gezeigten selbstverständlich auch eingesetzt werden.Another advantage of the circuit after 3 or 6 is given by the fact that the reference voltage source is only charged and discharges charge, through the transistor Q6, when the energy harvester 2 is active and generates a DC voltage. Thus, if the reference voltage source is a battery, its discharge will be delayed and its life extended if transistor Q6 is occasionally turned off in times when the energy harvester is not generating power and the equipment electronics are powered by a rechargeable battery. It's next to here in 6 shown yet other possible embodiments for current mirror circuits, these can of course also be used as an alternative to the one shown here.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Gerätdevice
22
Energy HarvesterEnergy Harvester
33
Spannungsquellevoltage source
44
Innenwiderstandinternal resistance
55
Geräteelektronikelectronics
66
Spannungsbegrenzerschaltungvoltage limiter circuit
77
Bezugspotentialreference potential
88th
Zenerdioden-SchaltungZener diode circuit
99
Vergleichsvorrichtungcomparison means
1010
Absenkschaltungdecreasing
1111
Aktivierungsschaltungactivation circuit
1212
Anschlusspunktconnection point

Claims (6)

Gerät (1) mit einer Vorrichtung (2) zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Umgebung, wobei die Vorrichtung (2) eine Gleichspannungsquelle (3) darstellt, und mit einer Geräteelektronik (5) mit sehr niedriger Leistungsaufnahme und mit einer Spannungsbegrenzerschaltung (6), die zwischen der Gleichspannungsquelle (3) und der Geräteelektronik (5) angeordnet ist, wobei die Gleichspannungsquelle (3) und die Spannungsbegrenzerschaltung (6) ein gemeinsames Bezugspotential (7) haben, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzerschaltung (6) eine Spannungsreferenz (V1) hat und eine Vergleichsvorrichtung (9), welche die von der Gleichspannungsquelle (3) erzeugte Gleichspannung (V2) mit der Spannungsreferenz (V1) vergleicht, und dass die Spannungsbegrenzerschaltung (6) eine von der Vergleichsvorrichtung (9) aktivierbare Absenkungsschaltung (10) hat, die bei Aktivierung die Ausgangsseite der Gleichspannungsquelle (3) auf das Bezugspotential (7) hin herabzieht, wobei die Absenkungsschaltung (10) so lange von der Vergleichsvorrichtung (9) aktiviert ist, wie die von der Gleichspannungsquelle (3) erzeugte Gleichspannung (V2) größer ist als die Spannungsreferenz (V1), wobei die Vergleichsvorrichtung (9) einen Differenzverstärker (Q1, Q6) mit niedrigem Ruhestrom umfasst.Device (1) having a device (2) for generating electrical energy from the environment, the device (2) being a DC voltage source (3), and device electronics (5) having a very low power consumption and having a voltage limiting circuit (6), which is arranged between the DC voltage source (3) and the device electronics (5), the DC voltage source (3) and the voltage limiter circuit (6) having a common reference potential (7), characterized in that the voltage limiter circuit (6) has a voltage reference (V1) and a comparison device (9) which compares the DC voltage (V2) generated by the DC voltage source (3) with the voltage reference (V1), and in that the voltage limiter circuit (6) has a lowering circuit (10) which can be activated by the comparison device (9), which, when activated, pulls down the output side of the DC voltage source (3) to the reference potential (7), the lowering slope as long as the DC voltage source (3) generated DC voltage (V2) is greater than the voltage reference (V1), wherein the comparison device (9) a differential amplifier (Q1, Q6) includes low quiescent current. Gerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsvorrichtung (9) einen Differenzverstärker mit Bipolartransistoren (Q1, Q6) und wenigstens einem ohmschen Vorwiderstand (R4) mit einem Widerstandswert größer als 1 MΩ hat.Device (1) after Claim 1 , characterized in that the comparison device (9) has a differential amplifier with bipolar transistors (Q1, Q6) and at least one ohmic resistor (R4) having a resistance greater than 1 MΩ. Gerät (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absenkungsschaltung (10) eine Darlington-Schaltung mit wenigstens zwei Bipolartransistoren (Q2, Q4) umfasst.Device (1) after Claim 2 , characterized in that the lowering circuit (10) comprises a Darlington circuit having at least two bipolar transistors (Q2, Q4). Gerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein hochohmiger Spannungsteiler (R2, R3) vorgesehen ist zur Ankopplung der Gleichspannungsquelle (3) an die Vergleichsvorrichtung (9).Device (1) after Claim 1 , characterized in that a high-impedance voltage divider (R2, R3) is provided for coupling the DC voltage source (3) to the comparison device (9). Gerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktivierungsschaltung (11) zur Aktivierung der Vergleichsvorrichtung (9) vorgesehen ist, die mit der Gleichspannungsquelle (3) und der Vergleichsvorrichtung (9) verbunden ist und die Vergleichsvorrichtung (9) nur bei Erzeugen einer Gleichspannung durch die Gleichspannungsquelle (3) aktiviert.Device (1) after Claim 1 , characterized in that an activation circuit (11) is provided for activating the comparison device (9), which is connected to the DC voltage source (3) and the comparison device (9) and the comparison device (9) only when generating a DC voltage by the DC voltage source (11). 3) activated. Gerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsschaltung (11) als eine Stromspiegelschaltung mit zwei Bipolartransistoren (Q7, Q8) ausgebildet ist.Device (1) after Claim 5 , characterized in that the activation circuit (11) is formed as a current mirror circuit with two bipolar transistors (Q7, Q8).
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