WO2012045543A1 - Spannungswandler mit mindestens einem elektro-mechanisch wirkenden schalter und entsprechendes verfahren - Google Patents

Spannungswandler mit mindestens einem elektro-mechanisch wirkenden schalter und entsprechendes verfahren Download PDF

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WO2012045543A1
WO2012045543A1 PCT/EP2011/065458 EP2011065458W WO2012045543A1 WO 2012045543 A1 WO2012045543 A1 WO 2012045543A1 EP 2011065458 W EP2011065458 W EP 2011065458W WO 2012045543 A1 WO2012045543 A1 WO 2012045543A1
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Sebastian Kunkel
Richard Roskosch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M3/18—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by dynamic converters using capacitors or batteries which are alternately charged and discharged, e.g. charged in parallel and discharged in series
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    • H02M7/90—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by dynamic converters using mechanical contact-making and -breaking parts to interrupt a single potential

Definitions

  • the present invention relates to a voltage converter ge measured the preamble of the main claim and a corresponding method according to the preamble of the independent claim.
  • the object is achieved by a voltage converter according to the main claim and a method for voltage conversion according to the independent claim.
  • a mechanical switch which possibly has a plurality of contacts is repeatedly actuated by influences from an environment of a voltage transformer.
  • Such a switch may also be referred to as a mechanical controlled switch.
  • the transducer is sound, vibration, movement or vibration.
  • a voltage converter for voltage conversion of a first voltage applied to two first electrical voltage terminals to a second voltage applied to two second electrical voltage terminals or to reverse voltage conversion such that at least one of the first voltage terminals on the one hand and the second voltage terminals on the other hand
  • Electro-mechanical switch is electrically connected and mechanically coupled to caused from an environment of the voltage converter mechanical movements such that the switch at least one electrical conductor due to the movements alternately electrically conductive or non-conductive, so that the first voltage to the second voltage or the high set second voltage is lowered to the first voltage.
  • a method for voltage conversion of a first voltage applied to two first electrical voltage terminals to a second voltage applied to two second electrical voltage terminals or to reverse voltage conversion such that at least one of the first voltage terminals on the one hand and the second voltage terminals on the other hand electro-mechanical switch is electrically connected and mechanically coupled to caused from an environment of the voltage converter mechanical movements such that the switch at least one electrical conductor due to the movements alternately electrically conductive or non-conductive, so that the first voltage to the second voltage is raised or the second voltage is lowered to the first voltage.
  • the present invention relates to a voltage converter and a corresponding method, in particular for increasing the voltage of input voltages in a range from 0 mV to 200 mV to output voltages to a usable level for electronic circuits, for example in a range from 0V to 12V.
  • a switch can switch a primary winding of a transformer alternately electrically conductive or electrically non-conductive to the two first voltage terminals, so that by means of a primary winding number higher secondary winding number of the transformer, the first voltage to the second voltage are set high can.
  • a switch realized for example by means of a ball contact is connected in series with the primary winding of a transformer. By regularly opening and closing the switch as a result of mechanical movements, vibrations or vibrations, a higher voltage can be generated on the secondary side due to a higher number of turns.
  • a DC voltage generated by means of a first means for collecting energy from an environment may be applied to the first voltage terminals and an electrical Sammelkapa capacity to be electrically connected to the second voltage terminals, a diode or an electric rectifier and then a electrical smoothing capacity can be electrically connected.
  • an alternating voltage generated by means of a second means for collecting energy from an environment may be applied to the first voltage terminals and the switches mechanically coupled to the second means such that the Wech selledge can also be gleichgerichet.
  • the mechanical movements caused from the surroundings of the voltage converter can supply energy to the electro-mechanical switches and to the second device.
  • the second device may be a piezo bending transducer and the scarf ter be generated as metallic tabs and be mechanically coupled to the piezoelectric bending transducer.
  • the second device may be a magnet coil arrangement and the switches are generated as metallic tabs and mechanically coupled to the magnet coil arrangement.
  • a respective switch in a first state, a first type of electrical conductors electrically conductive and a second type of electrical conductors electrically non-conductive switch, and in a second state, the first type of electrical
  • a JE nostir switch may be provided which all participating elements of the switch by means of a timed Umschaltmoments on simultaneously after exceeding a threshold value of a mechanical Accelerat ⁇ nist.
  • a switch can be equipped with a kind of "click effect", that is, when a mechanical acceleration occurs such a switch initially does not respond, but then switches abruptly, so that a time ⁇ Lich precisely defined switching moment is achieved This means that all switching elements involved switch over exactly at the same time.
  • the second voltage can be applied to an electronic circuit for its electrical power supply.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a conventional device
  • Figure 2 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a conventional voltage converter for deriving a voltage converter according to the invention.
  • the present invention relates in ⁇ play, the electric power supply of an ener ⁇ gieautarken radio sensor as an electronic circuit.
  • a second voltage of a voltage converter according to the invention ⁇ serves the electrical power supply of such a self-powered radio sensor.
  • any electronic circuits can be electrically power supplied by means of a SEN according to the invention ⁇ voltage converter.
  • Figure 1 shows an embodiment of a conventional voltage converter, at the input of an AC voltage or an AC signal is applied. Such Wech ⁇ sellayssignal can be produced for a conversion of vibrations into electrical energy, for example by means of a piezo bending transducer.
  • Figure 1 shows part of a circuit diagram for the power supply of a radio sensor with Ener ⁇ energy from vibrations.
  • Figure 1 shows an excerpt from the
  • FIG. 1 Circuit diagram of the power supply part of a self-powered radio sensor.
  • a piezo bending transducer converts the vibrations into an AC signal low amplitude around.
  • This AC signal is supplied to the circuit.
  • This represents the mark of Uin between terminals J1 and J2.
  • this AC voltage is rectified, but also raised to a higher voltage level.
  • Figure 1 represents a known conventional circuit for.vervielfa ⁇ chung.
  • At the output of the circuit can be tapped with a Uout high set voltage.
  • the current consumption of the circuit with a certain load is correspondingly higher than the current consumption of the load itself.
  • Efficiency of voltage conversion also progressively degrades as the voltage amplitude decreases in proportion to the diode threshold voltage, depending on the circuit state and on series connection of multiple diodes.
  • mechanical switches can replace diodes in the circuit of FIG. Since the mechanical switches have virtually no voltage drop on ⁇ , can with the above circuit principle theoretically any number of stages one behind the other are switched so that the input voltage can be angeho ⁇ ben on almost any voltage level.
  • the mechanical switches For the mechanical switches to replace the diodes, the mechanical switches must be operated in correct proportion to the input AC voltage. In the present case according to FIG. 1, this must be done precisely. This can be realized in the present case in a comparatively easy way.
  • the alternating voltage signal is generated by means of a piezo bending transducer from vibrations and behaves, at least in first approximation, as phasenko ⁇ heretofore to the instantaneous deflection of the piezo bending transducer.
  • Egg ⁇ ne way to implement would be, for example, the exporting ⁇ tion of the switches in the form of metallic plates, which are mechanically coupled to the piezo bending transducers and switch to each appropriate time similar to the function of the diodes.
  • the interconnection must therefore be provided in such a way that the mechanical switches then conduct, if the diodes would also conduct and then block if the diodes would likewise block.
  • Figure 1 shows a conventional rectifier and Hochset ⁇ zerscnies, which acts as a kind of rectifier and multiplier circuit at the same time by the use of mechanical switches described above instead of the diodes.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a voltage converter according to the invention.
  • the diodes are replaced in accordance with Fi gur ⁇ 1 by mechanical or electromechanical switch according to the invention.
  • a DC voltage signal is applied to an input.
  • Another example would be a radio sensor operated by a thermal generator and ver ⁇ makes energy.
  • Thermoelectric generators supply comparatively small output voltages ⁇ usually at ordinary temperature differences, for example 50 mV at a Temperaturdiffe ⁇ ence of 10 Kelvin.
  • a conversion to a higher voltage level is required.
  • thermoswitch radio sensor here forms a voltage boosting via mechanical actuated switch when movements and the like can be exploited for it.
  • this could be accomplished beispielswei ⁇ se to movements.
  • Concrete application example would be medical sensors, one wears on the body, and which relate the need for operating energy from the Tem ⁇ peraturdifferenz between body temperature and ambient temperature.
  • the necessary operation of the mechanical switch would in this case be via movements of the persons, ie random and not intentional. With a corresponding design of the switch enough to switch even very small movements or shocks as well.
  • FIG. 2 shows an example of a construction of mechanical voltage transformers. The output can still be connected to a large capacitor.
  • the switches shown are mechanically coupled together and can only assume two states: All bridges are in the left switch position or just in the right switch position. In the selection, all bridges are currently in the left switch position.
  • the boosted voltage can be tapped.
  • the function of the arrangement is very similar to that of the circuit of diodes and capacitors according to FIG. If the jumpers are in the right switching position, the capacitors C1 to C4 are charged to the input voltage since each of the capacitors is connected to the input with low resistance. If the switch is operated, for example by means of a small movement, the bridges are in the left switching position. Now, the capacitors Cl to C4 are connected in series with the output of the circuit. If there is a larger capacitor at the output, this can be These charge approximately to the voltage level of the series connection of the capacitors C1 to C4 and a new cycle can begin.
  • circuits according to Figure 2 can be realized for example by means of mechanical switches, as a larger imple mentation or in micro-electro-mechanical system (MEMS) construction.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • vibration switch for example in the form of ball switches, or tilt switch available on the market, which can also be used to build the arrangement shown in Figure 2.
  • NO contact is provided per switch.
  • An appropriate compilation may be required.
  • FIG. 2 shows a playing stick at ⁇ construction of a strain transducer.
  • a thermoelectric generator is connected in parallel to a large capacity.
  • At the output itself may suggest a diode or a direct ⁇ judge and behind a capacity adapted for the higher From ⁇ output voltage.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler zu einer Spannungswandlung einer an zwei elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden ersten Spannung zu einer an zwei zweiten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden zweiten Spannung oder zu einer umgekehrten Spannungswandlung bei dem ein hoher Wirkungsgrad erzielt und kleine hoch zusetzende Spannungen im Bereich insbesondere unter 200 mV benutzt werden können. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass für eine Spannungshoch bzw. -tiefsetzung elektro-mechanische Schalter mit geringen Schaltverlusten verwendet werden.

Description

Beschreibung
Spannungswandler mit mindestens einem elektro-mechanisch wirkenden Schalter und entsprechendes Verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler ge maß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein entsprechende Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
Bei einer Energieversorgung von autarken Sensoren werden her kömmlicher Weise entweder Batterien verwendet, oder eine andere dauerhafte Energieversorgung angestrebt. Technologien zum Sammeln von Energie aus einer Umgebung werden häufig unter dem Begriff des „Energieerntens" (Energy Harvesting) zu- sammengefasst . Einige bekannte Beispiele sind Sensoren, die mittels Solarzellen oder eines Funkfeldes, vgl. hierzu RFID (Radio Frequenz Identifikation) , mit Energie versorgt werden Eine verhältnismäßig unbekannte Möglichkeit stellen elektro- thermische Wandler dar, die ebenso als Peltierelement oder thermo-elektrische Generator TEG bezeichnet werden. Dabei wird eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Flächen benutzt, um daraus einen Stromfluss zu erzeugen. Auch lassen sich Vib rationen mit Hilfe von Piezo-Biegewandlern oder elektromagnetischen Systemen zur Gewinnung elektrischer Energien nutzen .
Die Effizienz derartiger Wandler ist allerdings sehr gering. Außerdem erzeugen Sie trotz einer Reihenschaltung von vielen derartigen Elementen lediglich eine geringe Spannung, die für eine Speisung von elektronischen Schaltkreisen herauf gesetzt werden muss. Für eine möglichst gute Nutzung derartiger Wand¬ ler und anderer Stromlieferanten, die lediglich eine geringe Ausgangsspannung erzeugen, bedarf es einer möglichst effizienten Spannungswandlung auf ein für elektronische Schaltungen nutzbares Niveau. Die verhältnismäßig hohe Betriebsspan¬ nung für elektronische Schalter, beispielsweise zum Wechsel¬ richten und Hochtransformieren, bzw. für Dioden macht diese für eine derartige Verwendung unbrauchbar. Herkömmlicher Weise wird eine höhere Spannung beispielsweise folgendermaßen bewirkt:
a) Transformatorisch, falls ein Wechselrichter für eine Span nung an einer primären Wicklung zur Verfügung steht, bzw. falls die Spannungsquelle bereits eine Wechselspannung liefert. Nachteiligerweise sind Verluste im Transformator hoch, es besteht ein größerer Platzbedarf und die Kosten sind ebenso hoch.
b) Durch ein elektronisches Umschalten und Aufladen von Kapa zitäten. Dies ist allerdings begrenzt durch eine minimale Schaltspannung von elektronischen Schaltern.
c) Durch entsprechende Auslegung eines Energiewandlers, der auf eine Erzeugung höherer Spannungsniveaus hin ausgelegt ist. Sich daraus ergebende Nachteile sind ein höherer Platzbedarf, erhöhte Kosten, da Elemente in Reihe geschal tet und teurere Materialien verwendet werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Spannungswandler und ein entsprechendes Verfahren zur Spannungshochsetzung von Eingangsspannungen auf Ausgangsspannungen oder zur SpannungstiefSetzung von Eingangsspannungen auf Ausgangs Spannungen bereitzustellen. Des Weiteren soll der Spannungswandler einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Ebenso sollen im Fall einer Spannungshochsetzung Eingangsspannungen beliebig klein sein können. Der Spannungswandler soll zudem gegenüber Alterungsprozessen robust sein.
Die Aufgabe wird durch einen Spannungswandler gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren zur Spannungswandlung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein mechanischer Schalter, der eventuell mehrere Kontakte aufweist, durch Einflüsse aus einer Umgebung eines Spannungswandlers wiederholt betätigt. Ein derartiger Schalter kann ebenso als mechanische gesteuerter Schalter bezeichnet werden. Beispielsweise sind Einflüsse aus der Umgebung des Spannungs- wandlers sind Schall, Erschütterungen, Bewegungen oder Vibrationen. Ein Vorteil gegenüber herkömmlichen Wandlern, die direkt versuchen, diese Energie zu nutzen, ist, dass der nutz¬ bare Frequenzbereich sehr breit ist und dass bereits sehr ge¬ ringe Energiemengen ausreichen, um den mechanischen Schalter zu betätigen. Derartige kleine mechanische Energiemengen wä¬ ren ansonsten mit großer Bandbreite nur schwer direkt nutzbar .
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Spannungswandler zu einer Spannungswandlung einer an zwei ersten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden ersten Spannung zu einer an zwei zweiten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden zweiten Spannung oder zu einer umgekehrten Spannungswandlung derart bereitgestellt, dass zwischen den ersten Spannungsanschlüssen einerseits und den zweiten Spannungsanschlüssen andererseits mindestens ein elektro-mechanischer Schalter elektrisch angeschlossen und mechanisch an aus einer Umgebung des Spannungswandlers verursachten mechanischen Bewegungen derart gekoppelt ist, dass der Schalter mindestens einen elektrischen Leiter aufgrund der Bewegungen abwechselnd elektrisch leitend oder nichtleitend schaltet, so dass die erste Spannung zu der zweiten Spannung hochgesetzt oder die zweite Spannung zu der ersten Spannung tiefgesetzt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zu einer Spannungswandlung einer an zwei ersten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden ersten Spannung zu einer an zwei zweiten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden zweiten Spannung oder zu einer umgekehrten Spannungswandlung derart bereitgestellt, dass zwischen den ersten Spannungsanschlüssen einerseits und den zweiten Spannungsanschlüssen andererseits mindestens ein elektro-mechanischer Schalter elektrisch angeschlossen und mechanisch an aus einer Umgebung des Spannungswandlers verursachten mechanischen Bewegungen derart gekoppelt ist, dass der Schalter mindestens einen elektrischen Leiter aufgrund der Bewegungen abwechselnd elektrisch leitend oder nichtleitend schaltet, so dass die erste Spannung zu der zweiten Spannung hochgesetzt oder die zweite Spannung zu der ersten Spannung tiefgesetzt wird.
Wesentliche Vorteile einer erfindungsgemäßen Lösung sind folgende :
a) Es erfolgt eine optimale Nutzung einer verfügbaren elekt¬ rischen Energie in Folge eines hohen Wirkungsgrades, da eine Spannungswandlung mittels einer Nutzung von weiterer Umgebungsenergie ausgeführt wird. Die erfindungsgemäßen Schalter weisen im Gegensatz zu herkömmlichen Dioden nahezu keine Schaltverluste auf.
b) Es können bereits sehr kleine Systeme zur Spannungswand¬ lung verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler und ein entsprechendes Verfahren, insbesondere zur Spannungserhö¬ hung von Eingangsspannungen in einem Bereich von 0 mV bis 200 mV auf Ausgangsspannungen auf ein für elektronische Schaltungen nutzbares Niveau, beispielsweise in einem Bereich von 0V bis 12V.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Mehrzahl von Schaltern, eine Mehrzahl von Kapazitäten abwechselnd elektrisch parallel zueinander zu den zwei ersten Spannungsanschlüssen schalten oder elektrisch in Reihe zueinander an die zwei zweiten Spannungsanschlüssen schalten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Schalter eine primäre Wicklung eines Transformator regelmäßig abwechselnd elektrisch leitend oder elektrisch nichtleitend zu den zwei ersten Spannungsanschlüssen schalten, so dass mittels einer zu einer primären Wicklungszahl höheren sekundären Wicklungszahl des Transformators die erste Spannung zu der zweiten Spannung hoch gesetzt werden kann. Ein Schalter, der beispielsweise mittels eines Kugelkontaktes realisiert ist, wird zur primären Wicklung eines Transformators in Reih geschaltet. Durch ein regelmäßiges Öffnen und Schließen des Schalters in Folge mechanischer Bewegungen, Erschütterungen oder Vibrationen kann sekundärseitig aufgrund einer höheren Wicklungszahl eine höhere Spannung erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an den ersten Spannungsanschlüssen eine mittels einer ersten Einrichtung zum Sammeln von Energie aus einer Umgebung erzeugte Gleichspannung angelegt sein und eine elektrische Sammelkapa zität elektrisch angeschlossen sein, wobei an den zweiten Spannungsanschlüssen eine Diode oder ein elektrischer Gleich richter und danach eine elektrische Glättungskapazität elekt risch angeschlossen sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an den ersten Spannungsanschlüssen eine mittels einer zweiten Einrichtung zum Sammeln von Energie aus einer Umgebung erzeugte Wechselspannung angelegt sein und die Schalter mechanisch zu der zweiten Einrichtung derart gekoppelt sein, dass die Wech selspannung zusätzlich gleichgerichet werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schalter Dioden einer ursprünglich Dioden aufweisenden
Gleichrichteranordnung derart ersetzen, dass die Schalter entsprechend den Dioden elektrisch leitend oder nichtleitend schalten können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die aus der Umgebung des Spannungswandlers verursachten mechanischen Bewegungen den elektro-mechanischen Schaltern und der zweiten Einrichtung Energie zuführen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Einrichtung ein Piezo-Biegewandler sein und die Schal ter als metallische Laschen erzeugt sein und mit dem Piezo- Biegewandler mechanisch gekoppelt sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Einrichtung eine Magnet-Spule-Anordnung sein und die Schalter als metallische Laschen erzeugt und mit der Magnet- Spule-Anordnung mechanisch gekoppelt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein jeweiliger Schalter in einem ersten Zustand eine erste Art von elektrischen Leitern elektrisch leitend und eine zweite Art von elektrischen Leitern elektrisch nichtleitend schalten, und in einen zweiten Zustand die erste Art von elektrischen
Leitern elektrisch nichtleitend und die zweite Art von elekt¬ rischen Leitern elektrisch leitend schalten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein je- weiliger Schalter bereitgestellt sein, der nach einem Überschreiten eines Schwellenwertes einer mechanischen Beschleu¬ nigung alle beteiligten Elemente des Schalters mittels eines zeitlich festgelegten Umschaltmoments gleichzeitig schaltet. Ein derartiger Schalter kann mit einer Art „Klick-Effekt" ausgestattet sein, das heißt, bei Auftreten einer mechanischen Beschleunigung reagiert ein derartiger Schalter zunächst nicht, schaltet dann aber abrupt um, so dass ein zeit¬ lich genau festgelegter Umschaltmoment erzielt wird. Bei die¬ sem schalten alle beteiligten Schaltelemente genau gleichzei- tig um .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Spannung an einen elektronischen Schaltkreis zu dessen elektrischen Leistungsversorgung angelegt sein.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispie¬ len in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen : Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung . Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Spannungswandlers zur Herleitung eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers. Die vorliegende Erfindung betrifft bei¬ spielsweise die elektrische Leistungsversorgung eines ener¬ gieautarken Funksensors als elektronischen Schaltkreis. Dabei dient eine zweite Spannung eines erfindungsgemäßen Spannungs¬ wandlers der elektrischen Leistungsversorgung eines derartigen energieautarken Funksensors. Grundsätzlich können beliebige elektronische Schaltkreise mittels eines erfindungsgemä¬ ßen Spannungswandlers elektrisch leistungsversorgt werden.
Herkömmlicher Weise liefern in energieautarken Funksensoren eingesetzte Energiewandler, zumindest bei einer schwachen Anregung, lediglich geringe Ausgangsspannungen. Somit sind spezielle schaltungstechnische Maßnahmen erforderlich, mit deren Hilfe niedrige Spannungen am Ausgang des verwendeten Energiewandlers auf „brauchbare" Spannungsniveaus angehoben werden können .
Gemäß Figur 1 und Figur 2 soll die Rolle, die hier mechanisch gesteuerte Schalter spielen können anhand von Ausführungsbei¬ spielen beschrieben werden. Die Verwendung der erfindungsgemäß genannten mechanisch gesteuerten Schalter ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, da diese den Betrieb von Funksensoren mit besonders niedrigen Eingangsspannungen ermöglichen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Spannungswandlers, an dessen Eingang eine Wechselspannung bzw. ein Wechselspannungssignal anliegt. Ein derartiges Wech¬ selspannungssignal kann beispielsweise mittels eines Piezo- Biegewandlers für eine Umwandlung von Vibrationen in elektrische Energie erzeugt sein. Figur 1 zeigt einen Teil eines Schaltplanes zur Stromversorgung eines Funksensors mit Ener¬ gie aus Vibrationen. Figur 1 zeigt einen Auszug aus dem
Schaltplan vom Stromversorgungsteil eines energieautarken Funksensors. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wandelt ein Piezo- Biegewandler die Vibrationen in ein Wechselspannungssignal mit niedriger Amplitude um. Dieses Wechselspannungssignal wird der Schaltung zugeführt. Dies stellt die Markierung von Uin zwischen den Anschlüssen Jl und J2 dar. Mit Hilfe der daran angeschlossenen Schaltung aus Dioden und Kondensatoren wird diese Wechselspannung gleichgerichtet, aber ebenso auf ein höheres Spannungsniveau angehoben. Damit stellt Figur 1 eine bekannte herkömmliche Schaltung zur Spannungsvervielfa¬ chung dar. Am Ausgang der Schaltung kann eine mit Uout gekennzeichnete hoch gesetzte Spannung abgegriffen werden. Die Stromaufnahme der Schaltung mit einer bestimmten Last ist entsprechend höher als die Stromaufnahme der Last selber.
Die gemäß Figur 1 dargestellte Schaltung funktioniert so lan¬ ge die Amplitude des Wechselspannungssignals am Eingang noch deutlich über der Schwellenspannung der verwendeten Dioden liegt. Es gibt zwar Dioden mit besonders niedrigen Schwellenspannungen, und zwar bis unter 150 mV bei einem Stromfluss von 10 μΑ, aber es soll die Schaltung prinzipiell ebenso bei wesentlich niedrigeren Eingangsamplituden funktionieren.
Eine Effektivität einer Spannungsumsetzung verschlechtert sich des Weiteren zunehmend, wenn die Spannungsamplitude im Verhältnis zur Dioden-Schwellspannung sinkt, und zwar je nach Schaltungszustand und bei einer Reihenschaltung mehrerer Dioden hintereinander.
Gemäß der Idee der vorliegenden Erfindung können mechanische Schalter Dioden in der Schaltung gemäß Figur 1 ersetzen. Da die mechanischen Schalter nahezu keinen Spannungsabfall auf¬ weisen, können mit obigem Schaltungsprinzip theoretisch beliebig viele Stufen hintereinander geschaltet werden, so dass die Eingangsspannung auf nahezu jedes Spannungsniveau angeho¬ ben werden kann.
Damit die mechanischen Schalter die Dioden ersetzen können, müssen die mechanischen Schalter in einem richtigen Verhältnis zur Eingangswechselspannung betätigt werden. Im vorliegenden Fall gemäß Figur 1 muss dies genau passend erfolgen. Dies lässt sich im vorliegenden Fall auf vergleichweise leichte Art realisieren. Das Wechselspannungssignal wird mit Hilfe eines Piezo-Biegewandlers aus Vibrationen erzeugt und verhält sich, zumindest in erster Näherung, ebenso phasenko¬ härent zur momentanen Auslenkung des Piezo-Biegewandlers. Ei¬ ne Möglichkeit zur Umsetzung würde beispielsweise die Ausfüh¬ rung der Schalter in Form von metallischen Laschen darstellen, die mechanisch mit den Piezo-Biegewandlern verkoppelt sind und zum jeweils passenden Zeitpunkt analog zur Funktion der Dioden schalten. Die Verschaltung muss also derart bereitgestellt sein, dass die mechanischen Schalter dann leiten, wenn ebenso die Dioden leiten würden und dann sperren, wenn ebenso die Dioden sperren würden.
Figur 1 zeigt eine herkömmliche Gleichrichter- und Hochset¬ zerschaltung, die durch die vorstehend beschriebene Nutzung von mechanischen Schaltern anstelle der Dioden weiterhin als eine Art Gleichrichter und Vervielfacher-Schaltung zugleich wirkt .
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers. Dabei sind in Figur 2 die Dioden gemäß Fi¬ gur 1 durch erfindungsgemäße mechanische bzw. elektro- mechanische Schalter ersetzt.
Gemäß Figur 2 liegt an einem Eingang ein Gleichspannungssig¬ nal an.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel wäre ein Funksensor, der mit Hilfe eines Thermogenerators betrieben und mit Energie ver¬ sorgt wird. Thermogeneratoren liefern in der Regel bei üblichen Temperaturdifferenzen vergleichsweise kleine Ausgangs¬ spannungen, beispielsweise 50 mV bei einer Temperaturdiffe¬ renz von 10 Kelvin. Hier ist ebenso eine Umsetzung auf ein höheres Spannungsniveau erforderlich.
Ebenso bildet sich hier eine Spannungshochsetzung über mechanische betätigte Schalter an, wenn Bewegungen und dergleichen dafür ausgenutzt werden können. Im Falle des über einen Ther- mogenerator betriebenen Funksensors könnte dies beispielswei¬ se über Bewegungen bewerkstelligt werden. Konkretes Anwendungsbeispiel wären medizinische Sensoren, die man am Körper trägt und die die zum Betrieb notwendige Energie aus der Tem¬ peraturdifferenz zwischen Körperwärme und Umgebungstemperatur beziehen. Die notwendige Betätigung der mechanischen Schalter würde in diesem Fall über Bewegungen der Personen erfolgen, d. h. zufällig ausgeführt und nicht absichtlich. Bei einer entsprechenden Auslegung der Schalter reichen zum Umschalten auch sehr kleine Bewegungen bzw. ebenso Erschütterungen aus.
Eine geeignete Schaltung zur Spannungsvervielfachung ist in Figur 2 dargestellt. Figur 2 zeigt einen beispielhaften Aufbau mechanischer Spannungswandler. Am Ausgang kann noch ein großer Kondensator angeschlossen sein.
Die dargestellten Schalter sind mechanisch miteinander verkoppelt und können nur zwei Zustände annehmen: Alle Brücken befinden sich in der linken Schaltstellung oder eben in der rechten Schaltstellung. In der Abwählung befinden sich alle Brücken momentan in der linken Schaltstellung.
Am Eingang - mit "IN" gekennzeichnet - wird die niedrige Gleichspannung des Thermogenerators angelegt, am Ausgang - mit "OUT" gekennzeichnet - kann die heraufgesetzte Spannung abgegriffen werden.
Die Funktion der Anordnung ist der der Schaltung aus Dioden und Kondensatoren gemäß Figur 1 sehr ähnlich. Befinden sich die Brücken in der rechten Schaltstellung, so werden die Kondensatoren Cl bis C4 auf die Eingangsspannung aufgeladen, da jeder der Kondensatoren niederohmig mit dem Eingang verbunden ist. Wird der Schalter betätigt, beispielsweise mittels einer kleinen Bewegung, befinden sich die Brücken in der linken Schaltstellung. Nun sind die Kondensatoren Cl bis C4 in Reihe geschaltet mit dem Ausgang der Schaltung verbunden. Befindet sich ein größerer Kondensator am Ausgang, so lässt sich die- ser annähernd auf das Spannungsniveau der Reihenschaltung der Kondensatoren Cl bis C4 aufladen und ein neuer Zyklus kann beginnen .
Zur Betätigung des Schalters sind keine gleichmäßigen Bewe¬ gungen bzw. Erschütterungen notwendig. Es reicht aus, wenn es gelegentliche Umschaltvorgänge gibt.
Die Verwirklichung einer Schaltung gemäß Figur 2 lässt sich beispielsweise mittels mechanischer Schalter realisieren, und zwar als größere Aus führung oder in mikroelektro-mechanischer System- (MEMS-) Bauweise .
Es sind ebenso Erschütterungsschalter, beispielsweise in Form von Kugelschaltern, bzw. Neigungsschalter am Markt verfügbar, die ebenfalls zum Aufbau der in Figur 2 dargestellten Anordnung herangezogen werden können. Dazu ist pro Schalter lediglich ein Schließer-Kontakt bereitgestellt. Es kann eine ent¬ sprechende Zusammenstellung erforderlich sein. In Figur 2 zeigt der Doppelpfeil zwei Bewegungsrichtungen an. Gemäß Figur 2 wird mit mehreren (mikro-) mechanischen Schaltern folgende Anordnung von Kapazitäten zwischen einem Ladezustand und einem Entladezustand geschaltet. Figur 2 zeigt einen bei¬ spielhaften Aufbau eines mechanischen Spannungswandlers. Am Eingang (IN) wird beispielsweise ein thermo-elektrischer Generator parallel dazu eine große Kapazität angeschlossen. Am Ausgang empfiehlt sich eventuell eine Diode oder ein Gleich¬ richter und dahinter eine Kapazität, die für die höhere Aus¬ gangsspannung ausgelegt ist. Es können zusätzlich große Kapazitäten zum Sammeln vor geschalten werden und ein Gleichrichter und große Kapazitäten nachgeschaltet. Es sind nicht zwin¬ gend viele Schaltkontakte nötig, wenn eine relativ konstante Frequenz für den Schalter zur Verfügung steht. Des Weiteren ist eine Kombination mit einem Transformator oder eine Kaska- dierung möglich. Es müssen lediglich die Spannungsbereiche der Kondensatoren beachtet werden. Es lassen sich verschiedene Topologien mit Schaltern und Umschaltern realisieren. Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kombination eines Rüttelspannungswandlers mit einem thermo-elektrischem Genera¬ tor, der beispielsweise in einer Uhr untergebracht sein kann.

Claims

Patentansprüche
1. Spannungswandler zu einer Spannungswandlung einer an zwei ersten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden ersten Spannung zu einer an zwei zweiten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden zweiten Spannung oder zu einer umgekehrten Spannungswandlung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Spannungsanschlüssen einerseits und den zweiten Spannungsanschlüssen andererseits mindestens ein elektro-mechanischer Schalter elektrisch angeschlossen und mechanisch an aus einer Umgebung des Spannungswandlers verursachten mechanischen Bewegungen derart gekoppelt ist, dass der Schalter mindestens einen elektrischen Leiter aufgrund der Bewegungen abwechselnd elektrisch leitend oder nichtlei¬ tend schaltet, so dass die erste Spannung zu der zweiten Spannung hoch gesetzt oder die zweite Spannung zu der ersten Spannung tief gesetzt wird.
2. Spannungswandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von Schaltern, eine Mehrzahl von Kapazit abwechselnd elektrisch parallel zueinander zu den zwei
Spannungsanschlüssen schaltet oder elektrisch in Reihe ander an die zwei zweiten Spannungsanschlüsse schaltet
3. Spannungswandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Schalter eine primäre Wicklung eines Transformators re¬ gelmäßig abwechselnd elektrisch leitend oder elektrisch nichtleitend zu den zwei ersten Spannungsanschlüssen schaltet, so dass mittels einer zu einer primären Wicklungszahl höheren sekundären Wicklungszahl des Transformators die erste Spannung zu der zweiten Spannung hoch gesetzt wird.
4. Spannungswandler nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
an den ersten Spannungsanschlüssen eine mittels einer ersten Einrichtung zum Sammeln von Energie aus einer Umgebung er- zeugte Gleichspannung angelegt und eine elektrische Sammelka- pazität elektrisch angeschlossen ist, wobei an den zweiten Spannungsanschlüssen eine Diode oder ein elektrischer Gleich- richter und danach eine elektrische Glättungskapazität elekt- risch angeschlossen sind.
5. Spannungswandler nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
an den ersten Spannungsanschlüssen eine mittels einer zweiten Einrichtung zum Sammeln von Energie aus einer Umgebung er- zeugte Wechselspannung angelegt ist und die Schalter mecha- nisch zu der zweiten Einrichtung derart gekoppelt sind, dass die Wechselspannung zusätzlich gleichgerichtet wird.
6. Spannungswandler nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schalter Dioden einer ursprünglich Dioden aufweisenden
Gleichrichteranordnung derart ersetzen, dass die Schalter entsprechend den Dioden elektrisch leitend oder nichtleitend schalten.
7. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die aus der Umgebung des Spannungswandlers verursachten me- chanischen Bewegungen den elektro-mechanischen Schaltern und der zweiten Einrichtung Energie zuführen.
8. Spannungswandler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Einrichtung ein Piezo-Biegewandler ist und die
Schalter als metallische Laschen erzeugt und mit dem Piezo- Biegewandler mechanisch gekoppelt sind.
9. Spannungswandler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Einrichtung eine Magnet-Spule-Anordnung ist und die Schalter als metallische Laschen erzeugt und mit der Mag¬ net-Spule-Anordnung mechanisch gekoppelt sind.
10. Spannungswandler nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein jeweiliger Schalter in einem ersten Zustand eine erste Art von elektrischen Leitern elektrisch leitend und eine zweite Art von elektrischen Leitern elektrisch nichtleitend schaltet, und in einem zweiten Zustand die erste Art von elektrischen Leitern elektrisch nichtleitend und die zweite Art von elektrischen Leitern elektrisch leitend schaltet.
11. Spannungswandler nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10,
gekennzeichnet durch
einen jeweiligen Schalter, der nach einem Überschreiten eines Schwellenwertes einer mechanischen Beschleunigung alle beteiligten Elemente des Schalters mittels eines zeitlich festge¬ legten Umschaltmoments gleichzeitig schaltet.
12. Spannungswandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Spannung an einen elektronischen Schaltkreis zu dessen elektrischen Leistungsversorgung angelegt ist.
13. Verfahren zu einer Spannungswandlung einer an zwei ersten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden ersten Spannung zu einer an zwei zweiten elektrischen Spannungsanschlüssen anliegenden zweiten Spannung oder zu einer umgekehrten Spannungswandlung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Spannungsanschlüssen einerseits und den zweiten Spannungsanschlüssen andererseits mindestens ein elektro-mechani- scher Schalter elektrisch angeschlossen und mechanisch an aus einer Umgebung des Spannungswandlers verursachten mechanischen Bewegungen derart gekoppelt ist, dass der Schalter mindestens einen elektrischen Leiter aufgrund der Bewegungen abwechselnd elektrisch leitend oder nichtleitend schaltet, so dass die erste Spannung zu der zweiten Spannung hoch gesetzt oder die zweite Spannung zu der ersten Spannung tief gesetzt wird .
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von Schaltern, eine Mehrzahl von Kapazitäten abwechselnd elektrisch parallel zueinander zu den zwei ersten Spannungsanschlüssen schaltet oder elektrisch in Reihe zueinander an die zwei zweiten Spannungsanschlüsse schaltet.
15. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Schalter eine primäre Wicklung eines Transformators re¬ gelmäßig abwechselnd elektrisch leitend oder elektrisch nichtleitend zu den zwei ersten Spannungsanschlüssen schaltet, so dass mittels einer zu einer primären Wicklungszahl höheren sekundären Wicklungszahl des Transformators die ers Spannung zu der zweiten Spannung hoch gesetzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
an den ersten Spannungsanschlüssen eine mittels einer ersten Einrichtung zum Sammeln von Energie aus einer Umgebung erzeugte Gleichspannung angelegt und eine elektrische Sammelka¬ pazität elektrisch angeschlossen ist, wobei an den zweiten Spannungsanschlüssen eine Diode oder ein elektrischer Gleichrichter und danach eine elektrische Glättungskapazität elekt¬ risch angeschlossen sind.
17. Verfahren nach Anspruch 13, 14, 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
an den ersten Spannungsanschlüssen eine mittels einer zweiten Einrichtung zum Sammeln von Energie aus einer Umgebung erzeugte Wechselspannung angelegt ist und die Schalter mecha¬ nisch zu der zweiten Einrichtung derart gekoppelt sind, dass die Wechselspannung zusätzlich gleichgerichtet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter Dioden einer ursprünglich Dioden aufweisenden Gleichrichteranordnung derart ersetzen, dass die Schalter entsprechend den Dioden elektrisch leitend oder nichtleitend schalten .
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
die aus der Umgebung des Spannungswandlers verursachten me¬ chanischen Bewegungen den elektro-mechanischen Schaltern und der zweiten Einrichtung Energie zuführen.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Einrichtung ein Piezo-Biegewandler ist und die Schalter als metallische Laschen erzeugt und mit dem Piezo- Biegewandler mechanisch gekoppelt sind.
21. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Einrichtung eine Magnet-Spule-Anordnung ist und die Schalter als metallische Laschen erzeugt und mit der Mag¬ net-Spule-Anordnung mechanisch gekoppelt sind.
22. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche
13 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein jeweiliger Schalter in einem ersten Zustand eine erste Art von elektrischen Leitern elektrisch leitend und eine zweite Art von elektrischen Leitern elektrisch nichtleitend schaltet, und in einem zweiten Zustand die erste Art von elektrischen Leitern elektrisch nichtleitend und die zweite Art von elektrischen Leitern elektrisch leitend schaltet.
23. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche
13 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein jeweiliger Schalter nach einem Überschreiten eines
Schwellenwertes einer mechanischen Beschleunigung alle betei- ligten Elemente des Schalters mittels eines zeitlich festge¬ legten Umschaltmoments gleichzeitig schaltet.
24. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche
13 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Spannung an einen elektronischen Schaltkreis zu dessen elektrischen Leistungsversorgung angelegt ist.
PCT/EP2011/065458 2010-10-07 2011-09-07 Spannungswandler mit mindestens einem elektro-mechanisch wirkenden schalter und entsprechendes verfahren WO2012045543A1 (de)

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