WO2016050723A1 - Device having a resonant circuit, use of such a device in a radiation field and method for operating such a device in a radiation field - Google Patents

Device having a resonant circuit, use of such a device in a radiation field and method for operating such a device in a radiation field Download PDF

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WO2016050723A1
WO2016050723A1 PCT/EP2015/072332 EP2015072332W WO2016050723A1 WO 2016050723 A1 WO2016050723 A1 WO 2016050723A1 EP 2015072332 W EP2015072332 W EP 2015072332W WO 2016050723 A1 WO2016050723 A1 WO 2016050723A1
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WO
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linear
solar
circuit
circuit element
vibration system
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/072332
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German (de)
French (fr)
Inventor
Gustav Hans Weber
Hubertus-Christopher VOIGT
Original Assignee
E-Gen Gmbh
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Publication date
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/78Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled

Definitions

  • the present invention relates to a device with resonant circuit and the use of such a device in an artificially generated or naturally occurring radiation field.
  • the present invention also relates to a method of operating such a device in an artificially generated or naturally occurring radiation field.
  • amplification circuits e.g. convert an input in a first regime (eg, a sound wave) to an output in another regime (e.g., an analog electrical signal).
  • Such circuits usually include one type of transducer (eg, a solar element) configured to receive or receive the input of the first regime, and then convert it to the output in the other regime.
  • Solar elements are operated so that they deliver a direct current.
  • the corresponding direct current always flows in solar elements in the same direction. If it is a grid-connected solar element, then with the help of an inverter of the resulting in the solar element DC in
  • a solar element has a non-linear voltage-current characteristic.
  • the optimal operating point of a solar element determines the maximum power of the element and it is determined by the specification of a voltage and a current. In normal operation stops a special control the solar element with changing solar radiation in the range of each optimal operating point, thus the maximum
  • a solar element behaves linearly when operating at the operating point, current and voltage are constant.
  • the quantum efficiency the so-called recombination mechanisms in the space charge zone (where charge carriers generated by the irradiation are "lost" due to recombination) and boundary layers, as well as the existing ohmic internal resistance limit the efficiency of a solar cell is related to the number of electrons carried in the space charge zone of one solar cell per number of incident photons in the conduction band
  • each quantum of light has an energy greater than the characteristic energy gap (bandgap) of the semiconductor is for
  • a device in the form of a vibration system is preferably provided in all embodiments, which is temporarily or permanently excitable by means of an AC signal source (eg., By means of a control signal) or which is designed as a natural oscillator.
  • a device with a resonant circuit is preferably provided in all embodiments by means of a
  • Alternating signal source is temporarily or permanently excitable (eg., By means of a control signal) or which is designed as a natural oscillator.
  • a device is provided with a resonant circuit, which is preferably designed in all embodiments as a natural oscillator.
  • the vibration system or the resonant circuit comprise
  • At least one complex-valued impedance e.g. a
  • Capacitance and an inductance represents.
  • the vibration system or the oscillatory circuit are characterized in that they comprise at least one non-linear circuit element whose influence on the resonant circuit by the application or coupling of an external radiation field or through the
  • a solar element is used as a non-linear circuit element, said solar element is preferably part of the vibration system in all embodiments.
  • the already mentioned resonant circuit represents a particular embodiment of a vibration system.
  • a vibration system may comprise one or more electrical resonant circuits in all embodiments. These resonant circuits are preferably resonant electric circuits in all embodiments.
  • the term "solar element” is used here as a generic term for a wide variety of photosensitive devices, and the term “solar element” therefore includes inter alia:
  • individual light-active components such as a light-sensitive diode or a solar cell
  • light-active components such as, for example, an interconnection of light-sensitive diodes and / or solar cells.
  • solar modules, panels or systems are also grouped under the term “solar element.”
  • the word “solar element” is not to be understood as limiting the frequency of the light.
  • the “solar element” may not only be an element designed for irradiation by natural sunlight, but the “solar element” may also be designed for specific regions of the natural or artificial light spectrum.
  • photosensitive devices which may be unitary (e.g., on a carrier plate), integral (e.g., on a wafer), multi-part (e.g., on separate carrier plates), or multi-piece (e.g., on multiple wafers).
  • solar element also includes mono- and polycrystalline Si solar cells, solar cells with amorphous structure, thin-film solutions and large-area diode structures with a light-exposed barrier layer.
  • solar element also includes inorganic semiconductor solar elements, graphite-based solar elements, organic solar elements, and also hybrid solar elements (a solar cell comprising organic and inorganic components).
  • the invention is suitable both for use in isolated systems, as well as for use in network systems.
  • the invention is based on fundamental quantum physical calculations and accurate calorimetric measurements on various solar elements that were deliberately operated in the non-linear range.
  • the invention intervenes in the immediate electronic circuit, respectively in the operation of the solar elements.
  • a solar element of the invention In order to use a solar element of the invention in the non-linear region, it is preferably not operated in all embodiments in a fixed predetermined operating point. In order to make use of the non-linear properties, the solar element are preferably in all embodiments by a corresponding electrical circuit
  • the device according to the invention in all embodiments provides AC sizes and / or DC magnitudes that can be tapped or processed or consumed, for example.
  • the solar element is included in all embodiments so in an electrical vibration system, that instead of in a
  • the non-linear working area of the map is determined by different environmental variables and influencing variables.
  • the environmental variables and influencing variables are set or predetermined in various embodiments in such a way that the solar element oscillates and works non-linearly.
  • the solar element in all embodiments in an electrical vibration system (preferably designed as a resonant circuit) is included, the at least one complex-valued impedance with z. B. a resistor and / or a capacitance and / or an inductance.
  • an oscillatable circuit referred to here as oscillation system
  • At least one inductance or capacitance of the impedance may in all embodiments be part of the non-linear circuit element / solar element and / or they may in all embodiments be realized by other elements, assemblies or regions of the device.
  • non-linearity as used herein is to be understood as a mathematical-physical phenomenon in which, generally speaking, the relationship between an input signal or an input value and an output signal or output value is non-linear.
  • the solar element is preferably operated consciously and controlled in the non-linear range in all embodiments.
  • the solar element is preferably at all
  • Embodiments used as a non-linear circuit element.
  • the resonant circuit (if present) is preferably at all
  • the non-linear circuit element / solar element can be designed in all embodiments so that it can be influenced by a contactless applied or coupled external radiation field.
  • the non-linear circuit element / solar element is in all
  • Embodiments are designed such that, in the operating state (i.e., when the vibration system or the oscillating circuit is operating), the inner field in the material of the non-linear circuit element / solar element is modulated.
  • the inner field in the material of the non-linear circuit element / solar element can be influenced by the external radiation field.
  • the nonlinear circuit element / solar element in the material of the non-linear circuit element / solar element, there is or is an electric field as a vector field of electric field strength.
  • a vibration system e.g in a resonant circuit
  • a spatially and / or temporally changing electric field results in the material of the non-linear circuit element /
  • the material of the non-linear circuit element / solar element is a low-charge (Intermediate) zone that separates a zone with excess of electrons from a zone with excess hole.
  • This statement applies primarily in the static state or as long as the vibration system (eg the resonant circuit) is not in operation.
  • the electrons (negatively charged particles) and holes (positively charged “particles”) are generally referred to herein as charge carriers.
  • Circuit element / solar element free charge carriers are or that they arise during operation. Preferably, free in all embodiments
  • Circuit element / solar element is modulated (for example by the application of an AC voltage when operating the vibration system).
  • Circuit element / solar element have an internal structure, the two different material areas or layers of material and a
  • Material transition between these two different material areas or layers comprises.
  • the material transition is used in this case as low-charge (intermediate) zone and the two different material areas can, for. For example, electrons in one area and holes in the other area.
  • the two different material regions or layers may each comprise differently doped semiconductor materials.
  • the vibration system (for example in the form of a resonant circuit) preferably comprises in all embodiments at least one solar element as non-linear circuit element and the vibration system comprises in the corresponding equivalent electrical circuit diagram at least one capacitance and an inductance.
  • the vibration system in all embodiments by the application or coupling of the external radiation field in the form of light or by converting or making use of this external
  • the electrical vibration system is preferably at all
  • This natural oscillation behavior is characterized by a characteristic natural oscillation frequency, which is essentially determined by the elements / components of the oscillation system.
  • the natural vibration is supplied by energy that passes through the solar element
  • the solar element is preferably exposed to an alternating signal in all embodiments due to the natural vibration of the vibration system, d. H. it flows through the solar element modulated currents.
  • the solar element itself provides the maintenance of the
  • the invention preferably comprises in all embodiments, a vibration system (preferably an electrical resonant circuit or a plurality of electrical resonant circuits, which serve as a vibration system). Unlike a conventional vibration system, this is preferably controlled in all embodiments by the periodic or quasi-periodic opening and closing of a switching element.
  • the corresponding control signal in all embodiments has a switching frequency which is equal to or less than the characteristic natural oscillation frequency of
  • the switching frequency is preferably at all
  • the electrical vibration system of the invention is switched or excited in all embodiments by a control signal, which is synchronized with the natural vibration behavior, so that the switching operations do not disturb or suppress the natural vibration behavior, but structurally stimulate and / or maintained.
  • the inventive vibration system shows due to the presence of a solar element behavior other than one
  • the solar element preferably in all embodiments in the inventive
  • Vibration system a device used to operate the vibration system by the aforementioned control signal can. in the
  • Circuit element here preferably a solar element illuminated with light
  • the natural oscillators of the invention preferably need in all embodiments from time to time a control signal for actuating a switch to remove / relate electrical power from the resonant circuit.
  • the natural oscillators of the invention preferably require a continuous or periodic energy input in all embodiments for damping compensation.
  • This energy input can be at all
  • Oscillating circuit can be synchronized.
  • the control signal can be obtained from the power circuit.
  • the control signal is preferably sourced externally (also externally modulated resonant circuit with
  • a self-oscillator is preferably no or only a negligible amount of energy by the control signal in the
  • control signal is provided and applied to a switching element of the power circuit such that the control signal couples little or no energy into the power circuit.
  • the switching of the vibration system is preferably carried out from outside the power circuit.
  • the device may comprise a control circuit associated with the
  • Power circuit circuitry (preferably galvanically or optically decoupled) is connectable.
  • the vibration system preferably comprises at all
  • Embodiments of the invention at least one solar element and at least one inductance.
  • the vibration behavior of such a vibration system with solar element can be divided into the following steps or sequences. This subdivision is merely a better explanation of the relationships:
  • the inductor is charged by current, which is illuminated by the
  • Control signal triggered / influenced or triggered
  • the vibration system is at all
  • Embodiments operated or used so that they at least temporarily show the mentioned natural vibration behavior.
  • the power circuit in all embodiments of the invention is preferably adapted to provide electrical power at a tap (e.g., at two nodes, poles, contacts) to allow the solar element in the wet state electrical energy can be taken.
  • a tap e.g., at two nodes, poles, contacts
  • the removal of the electrical power is preferably not directly from the solar element, but the power is partly stored in the vibration system (intermediate) and then removed.
  • a consumer can be connected, which can be supplied with solar power, or an energy storage device (accumulator or supercap) can be connected to save the electric power (between).
  • an energy storage device accumulator or supercap
  • a controller or inverter or other load are connected.
  • a vibration system of the invention may provide a DC signal in all embodiments.
  • a rectifier can be connected to make a conversion of the oscillating output signal (AC signal) into DC magnitudes.
  • a modified inverter can be connected to from a oscillating output signal to produce a desired AC signal (eg 220V at 50Hz).
  • the power circuit relates to all
  • Embodiments electrical energy preferably from the lighted solar element.
  • Coil-core inductors are preferably used in all embodiments.
  • the power circuit or the vibration system is galvanic or optical (eg by means of a
  • Optocoupler from a control circuit (also called control circuit) separately.
  • control circuit if any, can be used at all
  • Embodiments a control signal generator (also called a generator)
  • the switching frequency is at all
  • Embodiments an integer part of the natural frequency.
  • the non-linearly operated solar elements have a
  • component-specific lower limit frequency Below this cutoff frequency, the solar element shows a typical diode behavior. When an excitation above the component-specific lower limit frequency begins the
  • a vibration system is operated in all embodiments at an operating frequency which is above the lower limit frequency.
  • the modulation of the signal oscillating at operating frequency should therefore preferably be selected in all embodiments such that the oscillation of the voltage prevailing at the non-linearly operated solar element has a maximum oscillation amplitude that is at least equal to or greater than the difference between open circuit voltage and average Working voltage of the solar element.
  • the modulation of the signal oscillating at operating frequency should be chosen such that the maximum amplitude of the current signal corresponds to at least twice the average current flowing through the non-linear circuit element.
  • Switching frequency of the control signal should preferably be at all
  • the lower cutoff frequency is all
  • the corresponding embodiments should preferably oscillate at an operating frequency which is above this lower limit frequency.
  • this natural frequency is in the low megahertz range.
  • the operating frequency with which the embodiments of the invention oscillate is in the range below 10 MHz, and preferably in the range below 8 MHz. Most preferably, the operating frequency is all
  • the upper limit of the switching frequency is defined by the natural vibration frequency of the vibration system.
  • the natural oscillation frequency depends on the choice of the components (eg of the inductance).
  • the upper limit of the switching frequency is at all
  • the power circuit or the vibration system is oscillated by energy from the vibrating
  • the power circuit or the vibration system is designed in all embodiments as a vibratory circuit that it exhibits a natural vibration behavior and that it draws its energy substantially only from the lighted solar element.
  • the material of the solar element there are free charge carriers which are movable.
  • the solar element is operated as part of a resonant circuit (eg, by the application of a control signal), fast carrier motion processes are initiated.
  • the solar element may have an internal structure, the two different material areas or
  • Material transition in this case serves as a charge-poor (intermediate) zone and the two different material regions may, for example, comprise electrons in one region and (electron) holes in the other region.
  • the two different material regions or layers may each comprise differently doped semiconductor materials. Due to the Charge separation results in an intrinsic field in the solar element.
  • Invention uses this intrinsic field, inter alia, by modulation in the resonant circuit.
  • Natural vibration frequency preferably in a resonance range, shows.
  • the solar element does not have to be operated / used in all embodiments in the resonance range. It can also be excited to vibrate with the mentioned operating frequency.
  • the electrical vibration behavior of a solar element as part of a vibration system preferably adapts in all embodiments of the dynamics of the charge carrier pairs in the interior of the solar element.
  • the dynamics of the charge carrier pairs is primarily determined by their
  • the solar element is operated / used in all embodiments as part of a resonant circuit so that the oscillation of the solar element and optionally of the entire resonant circuit is fed by the photovoltaic effect.
  • the energy of the illuminated solar element is preferably used for charging the inductance (s) of the resonant circuit.
  • the solar element is operated / used in all embodiments as part of a vibration system so that the
  • Inductor (s) serve as an energy buffer for energy, which is provided by the illuminated solar element.
  • a method for operating a solar cell electrical oscillation system preferably comprises the following steps in all embodiments:
  • make available is used herein in the context of an AC signal and / or a DC signal to describe the removal, removal, tapping, providing, forwarding or delivering of electrical energy.
  • either only the DC power (in whole or in part) or only the AC power (wholly or partly) is subtracted from the vibration system, or both the DC power (in whole or in part) and the AC power (in whole or in part) extracted from the vibration system.
  • an exciting of the natural vibration behavior of the electrical vibration system is such that a modulation of the solar element and the electric field in the interior of the solar element are effected.
  • the solar element is used / operated according to the invention, then in all embodiments one or more of the following advantageous effects or effects preferably occur: a. There is an increase in the free charge carriers in the solar element; b. The quantum efficiency of the solar element is increased,
  • the internal resistance of the solar element is reduced (i.e., the internal resistance)
  • the solar element is operated / used in all embodiments as part of a resonant circuit so that the
  • Natural frequency of the resonant circuit is an integer multiple of the switching frequency of the control signal.
  • An energy withdrawal can be in phase with the
  • Fig. 1A shows a simplified equivalent circuit diagram of a solar element of
  • Fig. 1B shows a more detailed equivalent circuit of a solar element of
  • Fig. IC shows a summarized equivalent circuit diagram of a solar element of
  • Fig. 1D shows the circuit symbol of a single solar cell, e.g.
  • Part of a solar element of the invention may be;
  • Fig. 2 shows an equivalent circuit diagram of a first device of the invention
  • Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of a second apparatus of the invention
  • Fig. 4 is an equivalent circuit diagram of a third device of the invention
  • Fig. 5 is an equivalent circuit diagram of a fourth device of the invention.
  • Fig. 6 shows an equivalent circuit diagram of a fifth device of the invention
  • Fig. 7 shows an equivalent circuit diagram of a sixth device of the invention
  • Fig. 8 shows a voltage-time diagram of an exemplary switching signal of the invention
  • Fig. 9 shows the circuit diagram of an embodiment based on the principle of the second device of the invention (see Fig. 7);
  • Fig. 10 shows the circuit diagram of another embodiment, which on the
  • a component As a component is referred to a device which may be part of an electrically operating circuit. It does not necessarily have to be a discrete component. As a discrete component is generally located in a separate housing befindettess electrical circuit element with its own external terminals (eg in the form of metal contacts). The term However, the term "discrete component" is to be understood more broadly here: The discrete component is a functional unit. A discrete component is in the sense of the invention a functional unit which is provided with external connections or on which external connections (eg. It does not necessarily need a housing.
  • the discrete component of the invention may for example be composed of several functional units of the same or different types.
  • Embodiments of the invention combine both the capacitance and the inductance of a plurality of sub-sizes and / or elements and / or areas (e.g., the cables, leads, tracks) of the device.
  • the impedance Z may in all embodiments at least one ohmic resistance (eg R, Ri or R 2 ) and / or at least one capacitance (eg C, Ci or C 2 ) and / or at least one inductance (eg L, Li or L 2 ).
  • the behavior of the impedance Z in the resonant circuit can be described by a complex-valued function.
  • the impedance Z is to be regarded as a passive dipole.
  • Inductance or capacitance of the complex valued impedance may be part of the nonlinear circuit element 10 (e.g., the solar element 10.1).
  • At least one of the following magnitudes of the nonlinear circuit element 10 is variable: resistance R n i, inductance L n i, capacitance C n i. Represented in equation form the following applies (the indices "nl" are intended to indicate that this equation deals with the (inherent) properties of the non-linear circuit element 10):
  • the non-linear circuit element 10 typically behaves linearly in a range of defined magnitude (or magnitude) and shapes the shape of the input signal up to one, e.g. B. definable by measurement, point.
  • the non-linear circuit element 10 is intentionally operated in the non-linear range in all embodiments.
  • the non-linear circuit element 10 is operated in all embodiments of the invention above a lower cut-off frequency, so as to put the non-linear circuit element 10 in a suitable vibration behavior.
  • a non-linear circuit element 10 in the form of a discrete component is used.
  • Such non-linear circuit elements 10 may generally be described by one or more characteristics or by one or more (multi-dimensional) maps. As can be determined from the characteristics or maps, there is no linear relationship, e.g. between one at the non-linear
  • the vibration system (e.g., in the form of an electric
  • Oscillatory circuit may include at least one solar element 10.1 as non-linear circuit element 10 in all embodiments. By applying light as an external field EF, this solar element 10.1 is able to couple energy from the outside into the electrical vibration system or
  • Vibration system periodically or continuously supplied with energy.
  • all embodiments comprise a solar element 10.1 as a non-linear circuit element 10, the incident light provides electrical energy.
  • a solar element 10.1 can be represented in the equivalent circuit diagram as a current source, which converts the incident light into a photocurrent.
  • a solar element 10.1 of the invention may, for. B. include one or more solar modules, it may be at the solar element 10.1 but also a single solar cell 3 (see, for example, Fig. 1D) or multiple solar cells 3.
  • the invention can be used in all solar elements 10.1, which are used as a power source in a so-called oscillatory
  • FIG. 1A shows a simplified equivalent circuit diagram of an illuminated solar element 10.1 in the forward direction (here, for the sake of simplicity, the single-diode model is used).
  • the equivalent circuit comprises the parallel connection of a current source (if light falls as an external field EF on the solar element 10.1, this current source supplies a photocurrent I P h) and a diode Di.
  • This diode Di represents the pn junction of the solar element 10.1.
  • the voltage U can be tapped at the parallel circuit. Without load on the parallel circuit corresponds to the voltage U of
  • a solar cell 3 which may for example be part of the solar element 10.1 of various embodiments of the invention has in practice in addition to a diode Di, which in the equivalent circuit in the single-diode model of FIG. 1A, also other concentrated elements that must be considered for more accurate calculation. This is the equivalent circuit diagram
  • FIG. 1 B A corresponding equivalent circuit diagram is shown in FIG. 1 B shown.
  • the unlit solar cell 3 is a semiconductor diode which allows current to flow from the p-side to the n-side when the voltage U across the diode is directed from p to n.
  • IC is the equivalent circuit diagram of the solar element 10.1 as
  • FIG. 1D shows the real circuit symbol of a single solar cell 3, which may be part of a solar element 10.1 of the invention.
  • a single solar cell 3 may be part of a solar element 10.1 of the invention.
  • multiple solar cells 3 are interconnected to a solar element 10.1 to obtain the desired electrical power.
  • the solar element 10.1 of the invention can be used at all
  • To provide practically usable voltages at a tap 4 of the device 100 may be in all embodiments, for. B. several
  • the apparatus 100 of the invention may be implemented by means of a
  • all embodiments of the device 100 preferably include connections 1.1, 1.2 or
  • Circuit element 10 is used, the circuit symbol of this circuit element 10 is provided in the figures with an obliquely crossing line. Since the non-linear circuit element 10 by the external
  • Radiation field EF can be influenced, the circuit symbol with EF designated arrows.
  • a suitable work area is determined based on characteristics or maps, so that the
  • Circuit element 10 can be operated in the non-linear region.
  • An operating point or range can also be determined empirically.
  • Circuit environment of the device 100 must therefore be designed accordingly (dimensioned).
  • this vibration system is a non-linear vibration system.
  • the nonlinear oscillation system of the invention can therefore only be described by non-linear network equations.
  • the non-linear circuit element 10 of the invention preferably comprises a material in which space charge zones form.
  • the Space charge zones may be inherently present (eg, by appropriate doping of the material of the circuit element 10 with impurities) and influenced by the application of a bias voltage.
  • Device 100 is not in operation) face different doped zones, separated by the space charge zone, and there is a
  • Circuit elements 10 (eg in the form of an AC voltage) can be modulated.
  • the space charge zone can also be referred to as a blocking zone, wherein the effect of the blocking zone is temporarily canceled by the modulation of the field in the interior of the material or changes dynamically.
  • Modulating the field can cause a so-called rediffusion of the charge carriers.
  • Semiconductor materials are particularly suitable as materials of the non-linear circuit element 10. Not suitable are insulating materials.
  • Circuit element 10 are charge carriers that are movable.
  • Charge carriers are understood here to be electrons, holes and ions and other charged particles.
  • Solar cells and other photosensitive semiconductor components are particularly suitable as non-linear circuit elements 10 of the invention. These components are summarized here under the term "solar element”.
  • Circuit element 10 of a device 100 is used, it is in a
  • Input voltage and an output variable (eg, a current) gives a non-linear relationship. If the photosensitive member is exposed to an external radiation field EF, so there is an electrical signal amplification
  • a photosensitive member has a photoactive zone (eg, in the form of a photoactive layer) inside the (semiconductor) material of the device.
  • a photoactive zone eg, in the form of a photoactive layer
  • recombination effects which are influenced by the application or coupling of the external radiation field EF (eg light).
  • the external radiation field EF can, for example, in all
  • Carrier transport in the material of the non-linear circuit element 10 have.
  • an analog operating device which is preferably in all embodiments, for. B. by an alternating signal source G preferably continuously with currents or
  • Voltages can be stimulated. However, it is also possible to control the device 100 of the invention with control pulses.
  • the characteristic frequencies at which the non-linearity is noticeable are preferably in embodiments which have a
  • Solar cells with doped silicon material comprise, in the range of 5 kHz to 10 MHz and preferably in the range of 6 kHz to 5 MHz. Particularly preferably, the frequencies in all embodiments are in the range of 7 kHz to 2 MHz.
  • the required frequencies are significantly higher.
  • the diodes are nonlinear circuit elements 10 use the frequencies in the range of more than 600 kHz, and more preferably in the range of more than 1000 kHz.
  • a generator G which operates in the respective frequency range.
  • Fig. 2 the electrical equivalent circuit of a first device 100 of the invention is shown. It is the equivalent electrical circuit diagram of a series resonant circuit, which here comprises an inductance Li, a capacitance Ci and an ohmic resistance Ri. Furthermore, the symbol of the nonlinear circuit element 10 is shown. This circuit element 10 is in the embodiment shown in Fig. 2 in series with the other mentioned
  • the device 100 can be used in all
  • Embodiments include a capacity Cb, the z. B. is arranged parallel to the non-linear circuit element 10.
  • the resonant circuit of the device 100 is z. B. by means of a
  • Alternating signal source G excitable as shown in FIG. 2 indicated.
  • the influence of the non-linear circuit element 10 on the resonant circuit can be influenced according to the invention by the external radiation field EF.
  • the external radiation field EF is symbolized by a block arrow, as already mentioned.
  • the electromagnetic waves of the external radiation field EF may be artificially generated waves (e.g., a lamp) or natural
  • the inductance Li, capacitance Ci and the ohmic resistance Ri of the device 100 behave linearly in the classical sense. Also the
  • Embodiments of the invention is achieved by incorporating the non-linear circuit element 10 in the vibration system and its targeted operation in the non-linear region.
  • Fig. 3 the electrical equivalent circuit diagram of a second device 100 of the invention is shown. It is the equivalent electrical circuit diagram of a parallel resonant circuit, which here comprises an inductance L 2 , a capacitance C 2 and a resistor R 2 . Furthermore, the symbol of the nonlinear circuit element 10 is shown. This circuit element 10 is arranged in the embodiment shown in Fig. 3 in series with the elements connected in parallel.
  • Fig. 4 the electrical equivalent circuit diagram of a third device 100 of the invention is shown. It is the electrical equivalent circuit of another parallel resonant circuit, which is similar to the structure
  • the electrical equivalent circuit diagram of FIG. 4 further comprises a transformer TR which is fed by a generator G with a current I (t).
  • the transformer TR provides a galvanic separation between the control by the generator G and the resonant circuit.
  • the secondary-side coil of the transformer TR has an inductance, which is designated here by I_3. Otherwise, the circuit of FIG. 4 comparable to the circuit of FIG. 3.
  • the symbol of the non-linear circuit element 10 is shown. This circuit element 10 is in the in Fig. 4 embodiment arranged in series with the elements connected in parallel.
  • the electrical equivalent circuit diagram of Fig. 4 shows a so-called self-rotor structure (also called natural oscillator), in which the control by a pulse sequence (control pulse sequence) takes place.
  • a pulse sequence control pulse sequence
  • the equivalent electrical circuit diagram of Figure 4 includes an optional feedback 2 which provides a connection between the output side of the non-linear circuit element 10 and the input side of the transformer TR.
  • Alternating current I (t) is used.
  • Fig. 5 the equivalent circuit of another device 100 of the invention is shown. This equivalent circuit differs from the other equivalent circuits in that the non-linear circuit element 10 is connected in parallel with an impedance Z3.
  • space charge areas are preferably formed, depending on the structure and constellation. These space charge areas function as a (space charge) capacity due to their spatial separation, as already mentioned.
  • the power circuit LK of the invention can be applied to all
  • Embodiments considered in the equivalent circuit diagram comprise an interconnection of an inductance and a capacitance.
  • this inductance all inductive elements / areas (as well as the inductance (s) of the solar element 10.1) of the real components of the power circuit are summarized.
  • capacitance all capacitive elements / regions (as well as the capacitance (s) of the solar element 10.1) are the real components of the power circuit
  • the equivalent circuit includes at least one
  • Resistive element e.g. the resistances of the supply lines and the
  • the power circuit of the invention can be applied to all
  • a switching frequency above the lower limit frequency is used.
  • a switching frequency is used, which lies in the aforementioned range between 5 kHz and 10 MHz.
  • this switching frequency is always less than or equal to the natural oscillation frequency of the natural oscillation of the resonant circuit together with the solar element 10.1.
  • the switching frequency is an integer part of the frequency of
  • the vibration system can be used in all embodiments as
  • the various circuits can be converted into one another by means of conversions or can be compared with one another.
  • the invention can be used both with series resonant circuits
  • the non-linear behavior of the non-linear circuit element 10 and the non-linear influencing of the resonant circuit can not be described by closed analytical expressions. Rather, the already mentioned characteristics or fields are used to show the non-linear behavior of the circuit element 10 in the resonant circuit.
  • the signal quantities occurring in the oscillation system are represented as functions of time due to the time-dependent behavior (e.g., Si (t)).
  • the device 100 of the invention preferably comprises in all embodiments the mentioned power circuit LK with at least one solar element 10.1 (which may comprise eg one or more solar cells 3).
  • This power circuit LK is designed to be able to provide electrical power at a tap 4 when an external field EF (eg in the form of light) is applied to the solar element 10.1.
  • the power circuit may be defined in all embodiments by an equivalent circuit diagram (see FIGS. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10) comprising the elements of an electrical vibration system.
  • a switchable element 1 here briefly referred to as a switch
  • a switchable element 1 include, z. B. in all embodiments by means of a control signal SE (t) of a
  • the device 100 comprises means (e.g., a generator G) for providing the
  • Control signal SE (t) which switches the switchable element 1 alternately from the lock state to the pass state.
  • the switchable element 1 may comprise an inner diode (this diode may for example be part of a transistor), or a diode Dl may be arranged parallel to the switchable element 1, as in FIGS 7 indicated.
  • Fig. 6 the electrical equivalent circuit diagram of a fifth device 100 of the invention is shown. It is the equivalent electrical circuit diagram of a series resonant circuit, which here comprises an inductance L 5 , a capacitance Cs and an ohmic resistance Rs. Furthermore, the symbol of
  • Solar element 10.1 shown.
  • This solar element 10.1 is arranged in the embodiment shown in Fig. 6 in series with the other elements mentioned, wherein the inductance L 5 is parallel to the capacitance Cs.
  • the so-called power circuit LK of the invention is shown.
  • the power circuit LK is that part of the device 100 which is provided and designed to provide electrical power. For example, an output signal Ss (t) can be picked up at a tap 4.
  • the power circuit LK of all embodiments can receive electrical energy directly or indirectly from e.g. refer to lighted solar element 10.1.
  • the power circuit LK forms at all
  • Embodiments of a resonant circuit which can be excited by means of a control signal SE (t), as already mentioned.
  • the control signal Ss (t) acts, for example, on a switch 1 (see FIGS. 6 and 7) or on a transistor T1 (see FIGS. 9 and 10), which can be alternately opened and closed by the control signal SE (t).
  • FIG. 7 the electrical equivalent circuit diagram of a sixth device 100 of the invention is shown. It is the equivalent electrical circuit diagram of a parallel resonant circuit, which here comprises an inductance L 6 , a capacitance Ce and an ohmic resistance Re. Furthermore, the symbol of
  • This solar element 10.1 shown. This solar element 10.1 is in the in Fig. 7 embodiment arranged in series with the parallel-connected elements L 6 , Ce and Re. The description of FIG. 6 can also be transferred to this embodiment. You can z. B. at a tap 4 a
  • FIG. 8 is the voltage-time diagram of an exemplary one
  • Switching signal SE (t) of the invention shown is a signal, which here comprises a sequence of several square-wave pulses that repeat themselves periodically.
  • the duty cycle ⁇ (called Duty Cycle in English) is specified here as a dimensionless number in percent and can be between 0% and 100% (in practice, 0 ⁇ ⁇ 100).
  • the switching signal SE (t) is defined by the amplitude, here denoted by UE, and by the frequency f, as is known with periodic or quasi-periodic signals.
  • the control of the resonant circuit can be carried out in all embodiments by a periodic or quasi-periodic switching signal Ss (t), as shown by way of example in FIG. 8.
  • a signal As a periodic signal, a signal is referred to here, which has over a longer period of time regularly repeating switching pulses.
  • a quasi-periodic signal is referred to here as a signal which has regularly repeating switching pulses with respect to a shorter period of time, but which, over a longer period of time, may be subject to slight changes (eg in amplitude and / or the frequency of the switching pulses) ,
  • Such a change in the control signal may arise, for example, in situations in which the device 100 comprises a control circuit EK (see eg Fig. 10) which responds to changing environmental conditions (eg decreasing solar radiation).
  • a control circuit EK see eg Fig. 10
  • switched electrical energy source (referred to here as electrical power supply 8) are used. This is shown in FIG. 10 exemplified.
  • a switchable electric power supply 8 e.g. a power supply (which can be supplied with mains voltage, for example), an accumulator or a supercap.
  • the switchable electrical power supply 8 may in all embodiments also comprise one or more of these elements or a combination of two or more different elements.
  • FIG. 9 the circuit diagram of another embodiment of a device 100 is shown, which is based on the principle of the equivalent circuit of FIG. 7 builds. It is about the series circuit of a solar element 10.1, which here comprises a series circuit with four solar cells 3, with an inductance L. 7 A tap 4 is laid here by way of example via the inductance L 7 .
  • a MOSFET Tl is used, as shown.
  • MOSFET stands for "metal oxide semiconductor field effect transistor.”
  • the gate with Ga, the source with S and the drain with D are denoted at this MOSFET T1.
  • Control signal SE (t) to the gate Ga the channel of the MOSFET Tl is activated by inducing charge carriers between source S and drain D in the region below the gate Ga.
  • the channel of the MOSFET T1 is turned on (conductive). So if you z. B. the excitation signal SE (t) of Fig. 8 is used, then the MOSFET Tl provides a conductive connection between the source S and drain D when a positive voltage is applied. If, on the other hand, there is no voltage between two pulses (pulse pause), then the connection between source S and drain D is interrupted (ie the switch 1 is open).
  • FIG. 10 shows the block diagram of a further embodiment which is based on the principle of FIG. 9. The description of FIG. 9 is therefore transferable. Here only the differences are discussed. In Fig. 10, the essential elements (apart from the solar element 10.1) are so
  • ballasts 20 may be included in a kind of ballast 20.
  • This ballast 10 may, for example, have two terminals 6, 7 (eg, in the form of terminals) that allow the ballast 20 to be electrically connected in parallel with the solar element 10.1.
  • the tap 4 is arranged, for example, parallel to the solar element 10.1. However, it can also be provided at another location, which allows electrical power to be taken from the device 100 if the solar element 10.1 is illuminated with light.
  • the switch (realized here again as MOSTFET T1) is switchable by a control signal SE (t), as already mentioned.
  • the control signal SE (t) can be supplied externally in the embodiment of Figs. 9, 10 and in all other embodiments, or it may, for. B. within the ballast 20, and / or by means of a control circuit EK, and / or provided by the solar element 10.1.
  • the control signal SE (t) can be used in all embodiments e.g. be provided via a communication line or via a communication network.
  • the control signal Ss (t) z. From a central office (e.g., by a network operator or network agency) to the switch 1.
  • control signal SE (t) may be provided in all embodiments within the ballast 20, and / or the control circuit EK, and / or by the solar element 10.1.
  • the power circuit LK forms an electrical vibration system (preferably an electrical resonant circuit) having the capacitances (eg C a ) of the solar cells 3 (see FIG. 1B) and the inductance (e.g. B. L 7 ).
  • an electrical vibration system preferably an electrical resonant circuit having the capacitances (eg C a ) of the solar cells 3 (see FIG. 1B) and the inductance (e.g. B. L 7 ).
  • the switch 1 can alternately (periodically or
  • Embodiments for example, here a signal are tapped, which includes a DC component and / or an AC component.
  • the oscillator circuit is de-energized (eg, at tap 4) when switch 1 is open (i.e., during the pauses in the control signal SE (t) of FIG.
  • Electricity generation used (as is common in solar elements 10.1), but it also electrical and mechanical vibrations are harnessed. These vibrations are in conventional DC operation of solar elements 10.1 in pure heat loss.
  • FIG. 10 in addition to the power circuit LK, details of an exemplary optional control circuit EK are shown.
  • This control circuit EK can, as shown in FIG. 10 indicated by a circuit block, e.g. for the
  • control circuit EK can be used in all embodiments, e.g. a frequency generator (G) so as to generate the control signal SE (t) of FIG. 8.
  • control circuit EK can also be used in connection with all other embodiments of the invention.
  • the time variation of the output voltage e.g.
  • the non-linear response Si (t), s 2 (t) or S3 (t) (also called output signal) of the resonant circuit of the device 100 for example, at the resistor Ri, as indicated schematically in Fig. 1, or on the resistor R 2 , as shown in FIG. 2 and 3 indicated schematically, or at the impedance Z3, as shown in FIG. 4 schematically indicated, are tapped.
  • an output signal or an output variable at the device 100 is tapped so that the vibration behavior of the
  • a tap 4 is preferably used in all embodiments
  • the tap 4 in all embodiments can also be done at a different location of the device 100. It depends on whether you want to decouple current or voltage in DC or AC form and to what extent the decoupling of electrical power, the vibration behavior of the vibration system
  • the alternating signal generator G if present, generates in all embodiments of the invention, an external excitation of the vibration system of the device 100th
  • the AC signal generator G if present, is preferably designed as a current source in all embodiments of the invention in order to provide the Vibration system of the device 100 not to burden.
  • a series resistor Rv is shown to be a generator G of the
  • Circuit element 10 e.g. have a non-linear capacitance and / or a nonlinear inductance. As a result, a non-linear term is introduced into the resonant circuit of the device 100.
  • non-linear circuit element 10 is e.g. has a capacity, so it does not necessarily need for the functioning of the device 100, a further capacity in the vibration system. If that's not linear
  • Circuit element 10 e.g. has an inductance, it does not necessarily need for the functioning of the device 100, a further inductance in the vibration system.
  • the non-linear capacitance of the non-linear circuit element 10 may result, for example, from charge fronts formed in the material of the circuit element 10 (eg, during production) or forming (eg, during initialization or operation of the circuit) resonant circuit).
  • charge fronts formed in the material of the circuit element 10 eg, during production
  • forming eg, during initialization or operation of the circuit
  • positive and negative charges face.
  • an adjustment of the control signal (which is applied here, for example, at points 1.1, 1.2) with the characteristic of the resonant circuit comprising the non-linear element 10 is preferably made.
  • This can for example Characteristics or maps determined and derived from these suitable operating points or work areas.
  • the device 100 can then be operated by predetermining corresponding input-side control signals or variables in the operating point or work area.
  • the voltage, the frequency and / or the signal form of the generator G, if present, are preferably specified accordingly.
  • the non-linear behavior of the non-linear circuit element 10 preferably results in all embodiments due to an overlay or interaction of an inherent non-linear material property of the non-linear circuit element 10 as such with the external one
  • Radiation field EF (eg in the form of light).

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Abstract

A device (100) having a resonant circuit that can be excited by means of an alternating signal source (G). The resonant circuit comprises a non-linear switching element (10), and the device (100) is designed such that the non-linear switching element (10) can be operated in a non-linear working range and at a frequency above a threshold frequency.

Description

Vorrichtung mit einem Schwingkreis, Verwendung einer solchen Vorrichtung in einem Strahlungsfeld sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung in einem Strahlungsfeld  Device with a resonant circuit, use of such a device in a radiation field and method for operating such a device in a radiation field
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Schwingkreis sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung in einem künstlich erzeugten oder natürlich vorkommenden Strahlungsfeld. Die vorliegende Erfindung betrifft ausserdem ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung in einem künstlich erzeugten oder natürlich vorkommenden Strahlungsfeld. The present invention relates to a device with resonant circuit and the use of such a device in an artificially generated or naturally occurring radiation field. The present invention also relates to a method of operating such a device in an artificially generated or naturally occurring radiation field.
[0002] Es gibt einen Bedarf für Bauteile oder Schaltungen, die zur (Signal-) Verstärkung geeignet sind . Typische Beispiele sind Verstärkerschaltungen, die dazu ausgelegt sind, ein schwaches elektrisches Signal in ein stärkeres There is a need for components or circuits suitable for (signal) amplification. Typical examples are amplifier circuits designed to convert a weak electrical signal into a stronger one
elektrisches Signal umzuwandeln. Es gibt aber auch zahlreiche Beispiele von Verstärkungsschaltungen, die z.B. eine Eingangsgrösse in einem ersten Regime (z. B. eine Schallwelle) in eine Ausgangsgrösse in einem anderen Regime (z.B. ein analoges elektrisches Signal) umwandeln. Solche Schaltungen umfassen meist eine Art Wandler (z. B. ein Solarelement), der dazu ausgelegt ist, die Eingangsgrösse des ersten Regimes aufzunehmen oder zu empfangen, um dieses dann umzuwandeln in die Ausgangsgrösse in dem anderen Regime. to convert electrical signal. However, there are also numerous examples of amplification circuits, e.g. convert an input in a first regime (eg, a sound wave) to an output in another regime (e.g., an analog electrical signal). Such circuits usually include one type of transducer (eg, a solar element) configured to receive or receive the input of the first regime, and then convert it to the output in the other regime.
[0003] Es gibt zahlreiche unterschiedliche Solarelemente, die dazu ausgelegt sind zum Beispiel Sonnenenergie in elektrische Leistung umzuwandeln. There are many different solar elements that are designed, for example, to convert solar energy into electrical power.
Solarelemente werden so betrieben, dass sie einen Gleichstrom liefern. Der entsprechende Gleichstrom fliesst in Solarelementen immer in dieselbe Richtung. Handelt es sich um ein netzgekoppeltes Solarelement, so wird mit Hilfe eines Wechselrichters der in dem Solarelement entstehende Gleichstrom in Solar elements are operated so that they deliver a direct current. The corresponding direct current always flows in solar elements in the same direction. If it is a grid-connected solar element, then with the help of an inverter of the resulting in the solar element DC in
Wechselstrom gewandelt und ins Stromnetz eingespeist. Bei Inselanlagen wird hingegen meistens direkt der Gleichstrom verwendet. Ein Solarelement hat eine nicht-lineare Spannungs-Strom-Kennlinie. Der optimale Arbeitspunkt eines Solarelements bestimmt die maximale Leistung des Elements und er wird durch die Vorgabe einer Spannung und eines Stromes festgelegt. Im Normalbetrieb hält eine spezielle Regelung das Solarelement bei sich ändernder Sonneneinstrahlung im Bereich des jeweils optimalen Arbeitspunktes, um somit die maximale Alternating current converted and fed into the power grid. In isolated systems, however, direct current is usually used directly. A solar element has a non-linear voltage-current characteristic. The optimal operating point of a solar element determines the maximum power of the element and it is determined by the specification of a voltage and a current. In normal operation stops a special control the solar element with changing solar radiation in the range of each optimal operating point, thus the maximum
Leistung entnehmen zu können. Ein Solarelement verhält sich beim Betrieb im Arbeitspunkt linear, Strom und Spannung sind konstant. To be able to extract power. A solar element behaves linearly when operating at the operating point, current and voltage are constant.
[0004] Trotz des grossen Entwicklungsaufwandes der letzten Jahre, konnte die Effizienz dieser Solarelemente bisher nur unwesentlich verbessert werden. Despite the great development effort of recent years, the efficiency of these solar elements has been improved only slightly.
[0005] In Bezug auf Solarzellen können folgende allgemeingültigen Aussagen formuliert werden : With regard to solar cells, the following general statements can be formulated:
• die Quantenausbeute ist kleiner Eins; • the quantum yield is less than one;
• die Rekombinationsrate ist grösser Null;  • the recombination rate is greater than zero;
• der Innenwiderstand ist grösser Null.  • the internal resistance is greater than zero.
[0006] Die Quantenausbeute, die sogenannten Rekombinations-mechanismen in der Raumladungszone (wo Ladungsträger, die durch die Bestrahlung generiert wurden, aufgrund von Rekombination„verloren" gehen) und an Grenzschichten, sowie der vorhandene ohmsche Innenwiderstand limitieren den Wirkungsgrad einer Solarzelle. Die Quantenausbeute hängt mit der Anzahl der Elektronen zusammen, die in der Raumladungszone einer Solarzelle pro Anzahl der einfallenden Photonen in das Leitungsband befördert werden. Im Fall einer idealen Solarzelle trägt jedes Lichtquant, das eine Energie besitzt, die größer als die charakteristische Energielücke (Bandabstand) des Halbleiters ist, zum The quantum efficiency, the so-called recombination mechanisms in the space charge zone (where charge carriers generated by the irradiation are "lost" due to recombination) and boundary layers, as well as the existing ohmic internal resistance limit the efficiency of a solar cell is related to the number of electrons carried in the space charge zone of one solar cell per number of incident photons in the conduction band In the case of an ideal solar cell, each quantum of light has an energy greater than the characteristic energy gap (bandgap) of the semiconductor is for
Photostrom der Solarzelle bei. Praktisch ist dieser Wert (Quantenausbeute genannt) jedoch stets kleiner als Eins. Photostrom of the solar cell at. Practically, this value (called quantum yield) is always less than one.
[0007] Es besteht hoher Bedarf, den Wirkungsgrad von Solarelementen zu verbessern. Dabei steht die Suche nach neuen Möglichkeiten, die es erlauben, die Umsetzung von einfallendem Licht in elektrische Leistung zu optimieren, im Vordergrund . D.h. es geht darum, die Quantenausbeute zu verbessern, sowie die Rekombinationsrate und den Innenwiderstand zu reduzieren. There is a great need to improve the efficiency of solar elements. In the foreground is the search for new possibilities that allow to optimize the conversion of incident light into electrical power. That The aim is to improve the quantum efficiency and to reduce the recombination rate and the internal resistance.
[0008] Diese Aufgabe wird gelöst mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 15, der erfindungsgemäßen Verwendung der This object is achieved with the device according to the invention according to claim 1 or 15, the inventive use of
erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17 und dem Device according to the invention according to claim 16 or 17 and the
erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 20. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben. A method according to claim 20. Advantageous developments are given in the dependent subclaims and the description below.
[0009] Gemäss Erfindung wird vorzugsweise bei allen Ausführungsformen eine Vorrichtung in Form eines Schwingungssystems bereitgestellt, das mittels einer Wechselsignalquelle temporär oder permanent anregbar ist (z. B. mittels eines Steuersignals) oder das als Eigenschwinger ausgelegt ist. According to the invention, a device in the form of a vibration system is preferably provided in all embodiments, which is temporarily or permanently excitable by means of an AC signal source (eg., By means of a control signal) or which is designed as a natural oscillator.
[00010] Gemäss Erfindung wird vorzugsweise bei allen Ausführungsformen eine Vorrichtung mit einem Schwingkreis bereitgestellt, der mittels einer According to the invention, a device with a resonant circuit is preferably provided in all embodiments by means of a
Wechselsignalquelle temporär oder permanent anregbar ist (z. B. mittels eines Steuersignals) oder der als Eigenschwinger ausgelegt ist. Alternating signal source is temporarily or permanently excitable (eg., By means of a control signal) or which is designed as a natural oscillator.
[00011] Gemäss Erfindung wird eine Vorrichtung mit einem Schwingkreis bereitgestellt, der vorzugsweise bei allen Ausführungsformen als Eigenschwinger ausgelegt ist. According to the invention, a device is provided with a resonant circuit, which is preferably designed in all embodiments as a natural oscillator.
[00012] Das Schwingungssystem oder der Schwingkreis umfassen The vibration system or the resonant circuit comprise
vorzugsweise bei allen Ausführungsformen im entsprechenden elektrischen Ersatzschaltbild mindestens eine komplexwertige Impedanz, die z.B. eine Preferably, in all embodiments in the corresponding equivalent electrical circuit diagram, at least one complex-valued impedance, e.g. a
Kapazität und eine Induktivität repräsentiert. Das Schwingungssystem oder der Schwingkreis zeichnen sich dadurch aus, dass sie mindestens ein nicht-lineares Schaltungselement umfassen, dessen Einfluss auf den Schwingkreis durch das Anlegen oder Einkoppeln eines externen Strahlungsfeldes oder durch das Capacitance and an inductance represents. The vibration system or the oscillatory circuit are characterized in that they comprise at least one non-linear circuit element whose influence on the resonant circuit by the application or coupling of an external radiation field or through the
Umwandeln bzw. Nutzbarmachen eines externen Strahlungsfeldes bewirkt wird . Converting or making usable an external radiation field is effected.
[00013] Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen ein Solarelement als nicht-lineares Schaltungselement zum Einsatz, wobei dieses Solarelement vorzugsweise bei allen Ausführungsformen Teil des Schwingungssystems ist. Der bereits erwähnte Schwingkreis stellt eine besondere Ausführungsform eines Schwingungssystems dar. Preferably, in all embodiments, a solar element is used as a non-linear circuit element, said solar element is preferably part of the vibration system in all embodiments. The already mentioned resonant circuit represents a particular embodiment of a vibration system.
[00014] Ein Schwingungssystem kann bei allen Ausführungsformen einen oder mehrere elektrische Schwingkreise umfassen. Bei diesen Schwingkreisen handelt es sich bei allen Ausführungsformen vorzugsweise um resonanzfähige elektrische Schaltungen. [00015] Der Begriff„Solarelement" wird hier als Oberbegriff für verschiedenste lichtempfindliche Vorrichtungen verwendet. Unter dem Begriff„Solarelement" sind daher unter anderem umfasst: A vibration system may comprise one or more electrical resonant circuits in all embodiments. These resonant circuits are preferably resonant electric circuits in all embodiments. The term "solar element" is used here as a generic term for a wide variety of photosensitive devices, and the term "solar element" therefore includes inter alia:
- einzelne lichtaktive Bauteile (wie z.B. eine lichtempfindliche Diode oder eine Solarzelle)  individual light-active components (such as a light-sensitive diode or a solar cell)
mehrere lichtaktive Bauteile (wie z. B. eine Zusammenschaltung von lichtempfindlichen Dioden und/oder von Solarzellen).  several light-active components (such as, for example, an interconnection of light-sensitive diodes and / or solar cells).
Unter anderem sind auch Solarmodule, -panele oder -anlagen unter dem Begriff „Solarelement" zusammengefasst. Das Wort„Solarelement" soll auch im Hinblick auf die Frequenz des Lichtes nicht einschränkend verstanden werden. So kann das„Solarelement" nicht nur ein Element sein, das für die Bestrahlung durch natürliches Sonnenlicht ausgelegt ist. Das„Solarelement" kann auch für spezielle Bereich des natürlichen oder künstlichen Lichtspektrums ausgelegt sein. Among other things, solar modules, panels or systems are also grouped under the term "solar element." The word "solar element" is not to be understood as limiting the frequency of the light. Thus, the "solar element" may not only be an element designed for irradiation by natural sunlight, but the "solar element" may also be designed for specific regions of the natural or artificial light spectrum.
[00016] Der Begriff„Solarelement" umfasst auch verschiedenste The term "solar element" also includes a wide variety
lichtempfindliche Vorrichtungen, die einteilig (z.B. auf einer Trägerplatte), einstückig (z.B. auf einem Wafer), mehrteilig (z.B. auf separaten Trägerplatten) oder mehrstückig (z. B. auf mehreren Wafern) sein können. photosensitive devices which may be unitary (e.g., on a carrier plate), integral (e.g., on a wafer), multi-part (e.g., on separate carrier plates), or multi-piece (e.g., on multiple wafers).
[00017] Der Begriff„Solarelement" umfasst auch mono- und polykristalline Si- Solarzellen, Solarzellen mit amorpher Struktur, Dünnschichtlösungen und großflächige Diodenstrukturen mit lichtexponierter Sperrschicht. The term "solar element" also includes mono- and polycrystalline Si solar cells, solar cells with amorphous structure, thin-film solutions and large-area diode structures with a light-exposed barrier layer.
[00018] Der Begriff„Solarelement" umfasst auch anorganische Halbleiter- Solarelemente, Solarelemente auf Graphitbasis, organische Solarelemente und auch hybride Solarelemente (eine Solarzelle, die organische und anorganische Bestandteile umfasst). The term "solar element" also includes inorganic semiconductor solar elements, graphite-based solar elements, organic solar elements, and also hybrid solar elements (a solar cell comprising organic and inorganic components).
[00019] Die Erfindung eignet sich sowohl für den Einsatz in Inselanlagen, als auch für den Einsatz in netzgebundenen Anlagen. The invention is suitable both for use in isolated systems, as well as for use in network systems.
[00020] Die Erfindung basiert auf grundlegenden quantenphysikalischen Berechnungen und genauen kalorimetrischen Messungen an verschiedenen Solarelementen, die bewusst im nicht-linearen Bereich betrieben wurden. The invention is based on fundamental quantum physical calculations and accurate calorimetric measurements on various solar elements that were deliberately operated in the non-linear range.
[00021] Dabei ging es insbesondere um analytische Berechnungen und experimentelle, hochgenaue kalorimetrische Messungen von Schwingungssystemen mit Wärmeentstehung. Insbesondere wurde das In particular, it was about analytical calculations and experimental, highly accurate calorimetric measurements of Vibration systems with heat generation. In particular, that became
Schwingungsverhalten von Solarelementen grundlegenden Untersuchungen unterzogen und die Untersuchungsergebnisse wurden mit den Ergebnissen der quantenphysikalischen Berechnungen abgeglichen. The vibration behavior of solar elements was subjected to fundamental investigations and the results of the investigation were compared with the results of the quantum physics calculations.
[00022] Es ist bekannt, dass es in Solarelementen zu unmittelbaren It is known that it is too direct in solar elements
Rekombinationseffekten kommt. Sowohl die Rekombinationseffekte, als auch Materialschwingungen, die in Wärme übergehen, tragen zur Minderung des Wirkungsgrades bei. Recombination effects come. Both the recombination effects, as well as material vibrations, which go into heat, contribute to the reduction of the efficiency.
[00023] Die Erfindung greift in die unmittelbare elektronische Beschaltung, respektive in den Betrieb der Solarelemente ein. The invention intervenes in the immediate electronic circuit, respectively in the operation of the solar elements.
[00024] Um ein Solarelement der Erfindung im nicht-linearen Bereich einsetzen zu können, wird es vorzugsweise bei allen Ausführungsformen nicht in einem fest vorgegebenen Arbeitspunkt betrieben. Um die nicht-linearen Eigenschaften nutzbar machen zu können, werden dem Solarelement vorzugsweise bei allen Ausführungsformen durch eine entsprechende elektrische Beschaltung In order to use a solar element of the invention in the non-linear region, it is preferably not operated in all embodiments in a fixed predetermined operating point. In order to make use of the non-linear properties, the solar element are preferably in all embodiments by a corresponding electrical circuit
Freiheitsgrade eingeräumt. Freedom granted.
[00025] Vorzugsweise wird daher das Solarelement bei allen Preferably, therefore, the solar element at all
Ausführungsformen als Teil eines Schwingungssystems eingesetzt oder mit einem Schwingungssystem verbunden, wobei es dadurch Wechselstromgrössen ausgesetzt wird. Embodiments used as part of a vibration system or connected to a vibration system, thereby being exposed to AC sizes.
[00026] Vorzugsweise liefert die erfindungsgemäße Vorrichtung bei allen Ausführungsformen Wechselstromgrössen und/oder Gleichstromgrössen, die beispielsweise abgegriffen oder weiterverarbeitet oder verbraucht werden können. Preferably, the device according to the invention in all embodiments provides AC sizes and / or DC magnitudes that can be tapped or processed or consumed, for example.
[00027] Vorzugsweise wird das Solarelement bei allen Ausführungsformen so in ein elektrisches Schwingungssystem einbezogen, dass es statt in einem Preferably, the solar element is included in all embodiments so in an electrical vibration system, that instead of in a
Arbeitspunkt der Spannungs-Strom-Kennlinie in einem nicht-linearen Operating point of the voltage-current characteristic in a non-linear
Arbeitsbereich eines Kennfeldes arbeitet. Der nicht-lineare Arbeitsbereich des Kennfeldes wird durch unterschiedliche Umgebungsvariablen und Einflussgrössen bestimmt. [00028] Vorzugsweise werden die Umgebungsvariablen und Einflussgrössen bei verschiedene Ausführungsformen so eingestellt oder vorgegeben, dass das Solarelement schwingt und nicht-linear arbeitet. Work area of a map works. The non-linear working area of the map is determined by different environmental variables and influencing variables. Preferably, the environmental variables and influencing variables are set or predetermined in various embodiments in such a way that the solar element oscillates and works non-linearly.
[00029] Vorzugsweise wird das Solarelement bei allen Ausführungsformen in ein elektrisches Schwingungssystem (vorzugsweise als Schwingkreis ausgebildet) einbezogen, das mindestens eine komplexwertige Impedanz mit z. B. einem Widerstand und/oder einer Kapazität und/oder einer Induktivität umfasst. Durch diese Zusammenschaltung oder Verbindung des nicht-linearen Solarelements mit mindestens einer komplexen Impedanz ergibt sich eine schwingfähige Schaltung (hier Schwingungssystem genannt). Im Betrieb dieses Schwingungssystems ergeben sich dann sich ständig ändernde Freiheitsgrade, die zu dem Preferably, the solar element in all embodiments in an electrical vibration system (preferably designed as a resonant circuit) is included, the at least one complex-valued impedance with z. B. a resistor and / or a capacitance and / or an inductance. As a result of this interconnection or connection of the non-linear solar element with at least one complex impedance, an oscillatable circuit (referred to here as oscillation system) results. In the operation of this vibration system then arise ever-changing degrees of freedom to the
gewünschten nicht-linearen Verhalten des Solarelements führen. Durch innere Schwingungen des Solarelements entsteht ein nicht-linearer, komplexer desired non-linear behavior of the solar element. Internal vibrations of the solar element create a non-linear, complex
Zusammenhang zwischen den Eingangswerten (Bestrahlung des Solarelements) und den Ausgangsgrößen des Solarelements während seines Betriebs. Relationship between the input values (irradiation of the solar element) and the output variables of the solar element during its operation.
[00030] Die bereits erwähnte komplexwertige Impedanz, respektive The already mentioned complex-valued impedance, respectively
mindestens eine Induktivität oder Kapazität der Impedanz, können bei allen Ausführungsformen Teil des nicht-linearen Schaltungselements/ Solarelements sein und/oder sie können bei allen Ausführungsformen durch andere Elemente, Baugruppen oder Bereiche der Vorrichtung realisiert sein. at least one inductance or capacitance of the impedance may in all embodiments be part of the non-linear circuit element / solar element and / or they may in all embodiments be realized by other elements, assemblies or regions of the device.
[00031] Der Begriff„Nicht-Linearität", der hier verwendet wird, soll als ein mathematisch-physikalisches Phänomen verstanden werden, bei dem allgemein ausgedrückt der Zusammenhang zwischen einem Eingangssignal oder einem Eingangswert und einem Ausgangssignal oder einem Ausgangswert nicht linear ist. The term "non-linearity" as used herein is to be understood as a mathematical-physical phenomenon in which, generally speaking, the relationship between an input signal or an input value and an output signal or output value is non-linear.
[00032] Anders als bei bisherigen Schaltungen, wird das Solarelement vorzugsweise bei allen Ausführungsformen bewusst und kontrolliert im nichtlinearen Bereich betrieben. Das Solarelement wird vorzugsweise bei allen Unlike previous circuits, the solar element is preferably operated consciously and controlled in the non-linear range in all embodiments. The solar element is preferably at all
Ausführungsformen als nicht-lineares Schaltungselement eingesetzt. Embodiments used as a non-linear circuit element.
[00033] Der Schwingkreis (falls vorhanden) ist vorzugsweise bei allen The resonant circuit (if present) is preferably at all
Ausführungsformen so ausgelegt, dass das nicht-lineare Schaltungselement/ Solarelement in einem nicht-linearen Bereich betrieben wird . D.h. der Schwingkreis, respektive die gesamte Vorrichtung, ist so ausgelegt, dass das nicht-lineare Schaltungselement/ Solarelement in seinem nicht-linearen Bereich betreibbar ist. Embodiments designed such that the non-linear circuit element / Solar element is operated in a non-linear range. That is, the oscillation circuit, or the entire device, is designed so that the non-linear circuit element / solar element is operable in its non-linear region.
[00034] Das nicht-lineare Schaltungselement/ Solarelement kann bei allen Ausführungsformen so ausgelegt sein, dass es durch ein berührungslos angelegtes oder eingekoppeltes externes Strahlungsfeld beeinflussbar ist. The non-linear circuit element / solar element can be designed in all embodiments so that it can be influenced by a contactless applied or coupled external radiation field.
[00035] Das nicht-lineare Schaltungselement/ Solarelement ist bei allen The non-linear circuit element / solar element is in all
Ausführungsformen so ausgelegt, dass im Betriebszustand (d .h. wenn das Schwingungssystem oder der Schwingkreis arbeiten) das innere Feld im Material des nicht-linearen Schaltungselements/ Solarelements moduliert wird. Das innere Feld im Material des nicht-linearen Schaltungselements/ Solarelements kann durch das externe Strahlungsfeld beeinflusst werden. Embodiments are designed such that, in the operating state (i.e., when the vibration system or the oscillating circuit is operating), the inner field in the material of the non-linear circuit element / solar element is modulated. The inner field in the material of the non-linear circuit element / solar element can be influenced by the external radiation field.
[00036] Vorzugsweise besteht oder ergibt sich bei allen Ausführungsformen im Material des nicht-linearen Schaltungselements/ Solarelements ein Feld, das durch elektrische Anregung - vorzugsweise durch signaltechnische Anregung - des nicht-linearen Schaltungselements/ Solarelements modulierbar ist. Preferably, there is or in all embodiments in the material of the non-linear circuit element / solar element, a field that is modulated by electrical stimulation - preferably by signal excitation - the non-linear circuit element / solar element.
[00037] Vorzugsweise besteht oder ergibt sich bei allen Ausführungsformen im Material des nicht-linearen Schaltungselements/ Solarelements ein elektrisches Feld als Vektorfeld der elektrischen Feldstärke. Durch Betreiben des nichtlinearen Schaltungselements/ Solarelements in einem Schwingungssystem (z. B. in einem Schwingkreis) ergibt sich ein sich räumlich und/oder zeitlich änderndes elektrisches Feld im Material des nicht-linearen Schaltungselements/ Preferably, in all embodiments, in the material of the non-linear circuit element / solar element, there is or is an electric field as a vector field of electric field strength. By operating the nonlinear circuit element / solar element in a vibration system (eg in a resonant circuit), a spatially and / or temporally changing electric field results in the material of the non-linear circuit element /
Solarelements. Solar element.
[00038] Vorzugsweise werden bei allen Ausführungsformen im Material des nicht-linearen Schaltungselements/ Solarelements spezielle Prozesse angeregt, die je nach Stärke des Feldes zur Modulation einer ladungsarmen (Zwischen-) Zone im Material des nicht-linearen Schaltungselements/ Solarelements beitragen können. Diese (Zwischen-)Zone wird hier Raumladungszone genannt. Preferably, in all embodiments in the material of the non-linear circuit element / solar element special processes are excited, which may contribute depending on the strength of the field to the modulation of a low-charge (intermediate) zone in the material of the non-linear circuit element / solar element. This (intermediate) zone is called the space charge zone here.
[00039] Bei allen Ausführungsformen besteht oder ergibt sich vorzugsweise im Material des nicht-linearen Schaltungselements/ Solarelements eine ladungsarme (Zwischen-)Zone, die eine Zone mit Elektronenüberschuss von einer Zone mit Löcherüberschuss trennt. Diese Aussage gilt primär im statischen Zustand bzw. solange sich das Schwingungssystem (z.B. der Schwingkreis) nicht im Betrieb befindet. Die Elektronen (negativ geladene Teilchen) und Löcher (positiv geladene„Teilchen") werden hier generell als Ladungsträger bezeichnet. In all embodiments, there is or preferably results in the material of the non-linear circuit element / solar element is a low-charge (Intermediate) zone that separates a zone with excess of electrons from a zone with excess hole. This statement applies primarily in the static state or as long as the vibration system (eg the resonant circuit) is not in operation. The electrons (negatively charged particles) and holes (positively charged "particles") are generally referred to herein as charge carriers.
[00040] Es ist bekannt, dass es in dem Material des nicht-linearen It is known that it is in the material of non-linear
Schaltungselements/ Solarelements freie Ladungsträger gibt oder dass diese im Betrieb entstehen. Vorzugsweise sind bei allen Ausführungsformen freie Circuit element / solar element free charge carriers are or that they arise during operation. Preferably, free in all embodiments
Ladungsträger vorhanden, die beweglich sind, wenn das nicht-lineare Charge carriers present that are movable when the non-linear
Schaltungselement/ Solarelement moduliert wird (z.B. durch das Anlegen einer Wechselspannung beim Betreiben des Schwingungssystems). Circuit element / solar element is modulated (for example by the application of an AC voltage when operating the vibration system).
[00041] Bei allen Ausführungsformen kann das nicht-lineare In all embodiments, the non-linear
Schaltungselement/ Solarelement einen inneren Aufbau aufweisen, der zwei unterschiedliche Materialbereiche oder Materialschichten und einen Circuit element / solar element have an internal structure, the two different material areas or layers of material and a
Materialübergang zwischen diesen beiden unterschiedlichen Materialbereichen oder -schichten umfasst. Der Materialübergang dient in diesem Fall als ladungsarme (Zwischen-)Zone und die beiden unterschiedlichen Materialbereiche können z. B. Elektronen in dem einen Bereich und Löcher in dem anderen Bereich aufweisen. Material transition between these two different material areas or layers comprises. The material transition is used in this case as low-charge (intermediate) zone and the two different material areas can, for. For example, electrons in one area and holes in the other area.
[00042] Bei allen Ausführungsformen können die beiden unterschiedlichen Materialbereiche oder -schichten je andersartig dotierte Halbleitermaterialien umfassen. [00042] In all embodiments, the two different material regions or layers may each comprise differently doped semiconductor materials.
[00043] Das Schwingungssystem (z.B. in Form eines Schwingkreises) umfasst vorzugsweise bei allen Ausführungsformen mindestens ein Solarelement als nicht-lineares Schaltungselement und das Schwingungssystem umfasst im entsprechenden elektrischen Ersatzschaltbild mindestens eine Kapazität und eine Induktivität. The vibration system (for example in the form of a resonant circuit) preferably comprises in all embodiments at least one solar element as non-linear circuit element and the vibration system comprises in the corresponding equivalent electrical circuit diagram at least one capacitance and an inductance.
[00044] Vorzugsweise ist das Schwingungssystem bei allen Ausführungsformen durch das Anlegen oder Einkoppeln des externen Strahlungsfeldes in Form von Licht oder durch das Umwandeln bzw. Nutzbarmachen dieses externen Preferably, the vibration system in all embodiments by the application or coupling of the external radiation field in the form of light or by converting or making use of this external
Strahlungsfeldes beeinflussbar. [00045] Das elektrische Schwingungssystem ist vorzugsweise bei allen Radiation field influenced. The electrical vibration system is preferably at all
Ausführungsformen so ausgelegt und aufgebaut, dass das Solarelement zusammen mit anderen Elementen des Schwingungssystems ein Embodiments designed and constructed such that the solar element together with other elements of the vibration system
Eigenschwingverhalten zeigt. Dieses Eigenschwingverhalten zeichnet sich durch eine charakteristische Eigenschwingfrequenz aus, die im Wesentlichen durch die Elemente/Bauteile des Schwingungssystems bestimmt ist. Ausserdem wird die Eigenschwingung durch Energie versorgt, die das Solarelement durch Self-oscillating behavior shows. This natural oscillation behavior is characterized by a characteristic natural oscillation frequency, which is essentially determined by the elements / components of the oscillation system. In addition, the natural vibration is supplied by energy that passes through the solar element
Umwandlung von Licht bereitstellt. Weiterhin zeigt das Eigenschwingverhalten aufgrund von Verlusten eine Dämpfung der Eigenschwingung . Derartige elektrische Schwingungssysteme werden hier als Eigenschwinger bezeichnet, da sie mindestens zeitweise frei schwingen. Conversion of light provides. Furthermore, the natural vibration behavior due to losses shows a damping of the natural vibration. Such electrical vibration systems are referred to here as natural oscillators, since they swing free at least temporarily.
[00046] Das Solarelement ist vorzugsweise bei allen Ausführungsformen aufgrund der Eigenschwingung des Schwingungssystems einem Wechselsignal ausgesetzt, d .h. es fliessen durch das Solarelement modulierte Ströme. The solar element is preferably exposed to an alternating signal in all embodiments due to the natural vibration of the vibration system, d. H. it flows through the solar element modulated currents.
Ausserdem liefert das Solarelement selber die zur Aufrechterhaltung der In addition, the solar element itself provides the maintenance of the
Schwingung notwendige Energie. Vibration necessary energy.
[00047] Die Erfindung umfasst vorzugsweise bei allen Ausführungsformen ein Schwingungssystem (vorzugsweise einen elektrischen Schwingkreis oder mehrere elektrische Schwingkreise, die als Schwingungssystem dienen). Anders als ein konventionelles Schwingungssystem, wird dieses vorzugsweise bei allen Ausführungsformen durch das periodische oder quasi-periodische Öffnen und Schliessen eines Schaltelements kontrolliert. Das entsprechende Steuersignal weist bei allen Ausführungsformen eine Schaltfrequenz auf, die gleich oder geringer ist als die charakteristische Eigenschwingfrequenz des The invention preferably comprises in all embodiments, a vibration system (preferably an electrical resonant circuit or a plurality of electrical resonant circuits, which serve as a vibration system). Unlike a conventional vibration system, this is preferably controlled in all embodiments by the periodic or quasi-periodic opening and closing of a switching element. The corresponding control signal in all embodiments has a switching frequency which is equal to or less than the characteristic natural oscillation frequency of
Schwingungssystems. Die Schaltfrequenz liegt vorzugsweise bei allen Vibration system. The switching frequency is preferably at all
Ausführungsformen im Bereich von Null bis 10 MHz, kann aber bei diodenbasierten Ausführungsformen auch höher sein. Embodiments in the range of zero to 10 MHz, but may also be higher in diode-based embodiments.
[00048] Es handelt sich vorzugsweise bei allen Ausführungsformen um einen getakteten elektrischen Schwingkreis, der als Schwingungssystem dient und der mindestens zeitweise frei schwingt. It is preferably in all embodiments to a clocked electrical resonant circuit, which serves as a vibration system and oscillates freely at least temporarily.
[00049] Vorzugsweise wird das elektrische Schwingungssystem der Erfindung bei allen Ausführungsformen durch ein Steuersignal geschaltet oder angeregt, das mit dem Eigenschwingverhalten synchronisiert ist, damit die Schaltvorgänge das Eigenschwingverhalten nicht stören oder unterdrücken, sondern konstruktiv anregen und/oder aufrecht erhalten. Preferably, the electrical vibration system of the invention is switched or excited in all embodiments by a control signal, which is synchronized with the natural vibration behavior, so that the switching operations do not disturb or suppress the natural vibration behavior, but structurally stimulate and / or maintained.
[00050] Ausserdem zeigt das erfindungsgemässe Schwingungssystem aufgrund des Vorhandenseins eines Solarelements ein anderes Verhalten als ein In addition, the inventive vibration system shows due to the presence of a solar element behavior other than one
konventionelles Schwingungssystem. Weiterhin zeigt das Solarelement vorzugsweise bei allen Ausführungsformen in der erfindungsgemässen conventional vibration system. Furthermore, the solar element preferably in all embodiments in the inventive
elektrischen Beschaltung ein nicht-lineares Verhalten, was wiederum einen Einfluss auf das Schwingungsverhalten des Schwingungssystems hat. electrical wiring a non-linear behavior, which in turn has an influence on the vibration behavior of the vibration system.
[00051] Gemäss Erfindung kommt vorzugsweise bei allen Ausführungsformen als Teil oder im Bereich einer sogenannten Leistungsschaltung des According to the invention is preferably in all embodiments as part or in the region of a so-called power circuit of
Schwingungssystems eine Vorrichtung zum Einsatz, um das Schwingungssystem durch das bereits erwähnte Steuersignal betreiben zu können. Im Vibration system, a device used to operate the vibration system by the aforementioned control signal can. in the
entsprechenden Schaltbetrieb zeigt das Schwingungssystem mit Solarelement ein Eigenschwingungsverhalten, das aufgrund von Verlusten der According to switching operation shows the vibration system with solar element a natural vibration behavior, due to losses of the
Leistungsschaltung abklingt (Dämpfung genannt). Power circuit dies down (called damping).
[00052] Es geht hier, wie bereits erwähnt, vorzugsweise um als Schwingkreis ausgelegte Schwingungssysteme, die als Eigenschwinger ausgelegt oder betrieben werden. Bei diesen Eigenschwingern wird die Energie, die zum It is here, as already mentioned, preferably designed as a resonant circuit vibration systems that are designed or operated as natural oscillator. These natural oscillators become the energy that leads to
Schwingen erforderlich ist, im Wesentlichen aus dem nicht-linearen Swinging is required, essentially from the non-linear
Schaltungselement (hier vorzugsweise ein mit Licht beschienenes Solarelement) bezogen . Circuit element (here preferably a solar element illuminated with light) related.
[00053] Die Eigenschwinger der Erfindung brauchen vorzugsweise bei allen Ausführungsformen von Zeit zu Zeit ein Steuersignal zur Betätigung eines Schalters, um elektrische Leistung aus dem Schwingkreis entnehmen/beziehen zu können. The natural oscillators of the invention preferably need in all embodiments from time to time a control signal for actuating a switch to remove / relate electrical power from the resonant circuit.
[00054] Die Eigenschwinger der Erfindung brauchen vorzugsweise bei allen Ausführungsformen zur Dämpfungskompensation einen kontinuierlichen oder periodischen Energieeintrag . Dieser Energieeintrag kann bei allen The natural oscillators of the invention preferably require a continuous or periodic energy input in all embodiments for damping compensation. This energy input can be at all
Ausführungsformen durch ein Steuersignal mit der Eigenschwingung des Embodiments by a control signal with the natural oscillation of
Schwingkreises synchronisiert werden. [00055] Vorzugsweise kann bei einer autarken Ausführungsform der Erfindung das Steuersignal aus der Leistungsschaltung heraus bezogen werden. Bei einer nicht-autarken Vorrichtung hingegen wird das Steuersignal vorzugsweise von extern bezogen (auch extern modulierter Schwingkreis mit Oscillating circuit can be synchronized. Preferably, in a self-sufficient embodiment of the invention, the control signal can be obtained from the power circuit. In a non-self-sufficient device, however, the control signal is preferably sourced externally (also externally modulated resonant circuit with
Eigenschwingungsverhalten genannt). Called natural vibration behavior).
[00056] Bei einem Eigenschwinger wird vorzugsweise keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Energiemenge durch das Steuersignal in den In a self-oscillator is preferably no or only a negligible amount of energy by the control signal in the
Schwingkreis eingespeist. Fed in resonant circuit.
[00057] Vorzugsweise wird das Steuersignal bei allen Ausführungsformen so bereitgestellt und an ein Schaltelement der Leistungsschaltung angelegt, dass das Steuersignal keine oder nur wenig Energie in die Leistungsschaltung einkoppelt. [00057] Preferably, in all embodiments, the control signal is provided and applied to a switching element of the power circuit such that the control signal couples little or no energy into the power circuit.
[00058] Bei Ausführungsformen mit extern geschalteten Schwingungssystemen wird das Schalten des Schwingungssystems vorzugsweise von ausserhalb der Leistungsschaltung vorgenommen. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung bei allen Ausführungsformen eine Steuerschaltung umfassen, die mit der In embodiments with externally connected vibration systems, the switching of the vibration system is preferably carried out from outside the power circuit. For this purpose, in all embodiments the device may comprise a control circuit associated with the
Leistungsschaltung schaltungstechnisch (vorzugsweise galvanisch oder optisch entkoppelt) verbindbar ist. Power circuit circuitry (preferably galvanically or optically decoupled) is connectable.
[00059] Das Schwingungssystem umfasst vorzugsweise bei allen The vibration system preferably comprises at all
Ausführungsformen der Erfindung mindestens ein Solarelement und mindestens eine Induktivität. Das Schwingungsverhalten eines solchen Schwingungssystems mit Solarelement kann in folgende Schritte oder Sequenzen unterteilt werden. Diese Unterteilung dient lediglich der besseren Erläuterung der Zusammenhänge: Embodiments of the invention at least one solar element and at least one inductance. The vibration behavior of such a vibration system with solar element can be divided into the following steps or sequences. This subdivision is merely a better explanation of the relationships:
A. die Induktivität wird durch Strom geladen, der durch das beleuchtete  A. The inductor is charged by current, which is illuminated by the
Solarelement bereitgestellt wird .  Solar element is provided.
B. Während des Ladevorgangs ergibt sich eine gedämpfte Eigenschwingung des Schwingungssystems.  B. During the charging process results in a damped natural vibration of the vibration system.
C. Wenn die Induktivität ausreichend geladen ist, dann erfolgt eine temporäre Unterbrechung dieses Ladevorgangs durch ein Schaltelement.  C. If the inductance is sufficiently charged, then a temporary interruption of this charging by a switching element takes place.
D. Dadurch kommt es zu einer Entladung der Induktivität. [00060] Diese Schritte oder diese Sequenz können/kann bei allen Ausführungsformen durch das Anlegen oder durch das Wegnehmen eines D. This leads to a discharge of the inductance. These steps or this sequence can / can in all embodiments by applying or by removing a
Steuersignals ausgelöst/beeinflusst oder getriggert werden. Control signal triggered / influenced or triggered.
[00061] Vorzugsweise wird das Schwingungssystem bei allen Preferably, the vibration system is at all
Ausführungsformen so betrieben oder verwendet, dass sie mindestens zeitweise das erwähnte Eigenschwingverhalten zeigen. Embodiments operated or used so that they at least temporarily show the mentioned natural vibration behavior.
[00062] Gemäss Erfindung ist die Leistungsschaltung (falls vorhanden) bei allen Ausführungsformen der Erfindung vorzugsweise dazu ausgelegt, um an einem Abgriff (z. B. an zwei Knoten, Polen, Kontakten) elektrische Leistung bereit zu stellen, damit dem Solarelement im beschienenen Zustand elektrische Energie entnommen werden kann. Die Entnahme der elektrischen Leistung erfolgt vorzugsweise nicht direkt aus dem Solarelement, sondern die Leistung wird zum Teil im Schwingungssystem (zwischen-)gespeichert und dann erst entnommen. According to the invention, the power circuit (if any) in all embodiments of the invention is preferably adapted to provide electrical power at a tap (e.g., at two nodes, poles, contacts) to allow the solar element in the wet state electrical energy can be taken. The removal of the electrical power is preferably not directly from the solar element, but the power is partly stored in the vibration system (intermediate) and then removed.
[00063] An dem Abgriff kann bei allen Ausführungsformen z.B. ein Verbraucher angeschlossen werden, der mit Solarstrom zu versorgen ist, oder es kann ein Energiespeicher (Akkumulator oder Supercap) angeschlossen werden, um die elektrische Leistung (zwischen) zu speichern. At the tap, in all embodiments, e.g. a consumer can be connected, which can be supplied with solar power, or an energy storage device (accumulator or supercap) can be connected to save the electric power (between).
[00064] An dem Abgriff kann bei allen Ausführungsformen z.B. ein Regler oder Wechselrichter oder eine andere Last angeschlossen werden. At the tap, in all embodiments, e.g. a controller or inverter or other load are connected.
[00065] Vorzugsweise liefert bei allen Ausführungsformen die Preferably, in all embodiments, the
Leistungsschaltung an einem Abgriff (z. B. an zwei Knoten, Polen, Kontakten) ein oszillierendes Ausgangssignal (Wechselstromsignal genannt), anders als dies bei Solarelementen üblich ist, die heutzutage nur ein Gleichstromsignal bereitstellen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Schwingungssystem der Erfindung bei allen Ausführungsformen ein Gleichstromsignal liefern. Power circuit on a tap (eg, at two nodes, poles, contacts) an oscillating output signal (called AC signal), unlike that common in solar elements, which nowadays provide only a DC signal. Additionally or alternatively, a vibration system of the invention may provide a DC signal in all embodiments.
[00066] An einem optionalen Abgriff kann bei allen Ausführungsformen z.B. ein Gleichrichter angeschlossen werden, um eine Umwandlung des oszillierenden Ausgangssignals (Wechselstromsignal) in Gleichstromgrössen vorzunehmen. At an optional tap, in all embodiments e.g. a rectifier can be connected to make a conversion of the oscillating output signal (AC signal) into DC magnitudes.
[00067] An einem optionalen Abgriff kann bei allen Ausführungsformen z.B. aber auch ein modifizierter Wechselrichter angeschlossen werden, um aus einem oszillierenden Ausgangssignal ein gewünschtes Wechselstromsignal (z. B. 220V mit 50Hz) zu erzeugen. At an optional tap, however, in all embodiments, for example, but also a modified inverter can be connected to from a oscillating output signal to produce a desired AC signal (eg 220V at 50Hz).
[00068] Vorzugsweise bezieht die Leistungsschaltung bei allen Preferably, the power circuit relates to all
Ausführungsformen elektrische Energie vorzugsweise aus dem mit Licht beschienenen Solarelement. Embodiments electrical energy preferably from the lighted solar element.
[00069] Vorzugsweise kommen bei allen Ausführungsformen Spulen mit Kern als Induktivitäten zum Einsatz. Coil-core inductors are preferably used in all embodiments.
[00070] Vorzugsweise ist bei allen Ausführungsformen die Leistungsschaltung bzw. das Schwingungssystem galvanisch oder optisch (z. B. mittels eines Preferably, in all embodiments, the power circuit or the vibration system is galvanic or optical (eg by means of a
Optokopplers) von einem Steuerkreis (auch Steuerschaltung genannt) getrennt. Optocoupler) from a control circuit (also called control circuit) separately.
[00071] Die Steuerschaltung, falls vorhanden, kann bei allen The control circuit, if any, can be used at all
Ausführungsformen einen Steuersignalgeber (auch Generator genannt) Embodiments a control signal generator (also called a generator)
umfassen, der mittels periodischen oder quasi-periodischen Steuersignalen die Leistungsschaltung bzw. das Schwingungssystem schaltet, respektive das include, which switches the power circuit or the vibration system by means of periodic or quasi-periodic control signals, respectively
Eigenschwingen der Leistungsschaltung bzw. des Schwingungssystems triggert. Self-oscillation of the power circuit or the vibration system triggers.
[00072] Die Schaltfrequenz des periodischen oder quasi-periodischen [00072] The switching frequency of the periodic or quasi-periodic
Schaltsignals ist bei allen Ausführungsformen vorzugsweise kleiner oder gleich der Eigenschwingungsfrequenz mit welcher das Schwingungssystem samt Switching signal is in all embodiments preferably less than or equal to the natural vibration frequency with which the vibration system including
Solarelement schwingt. Vorzugsweise ist die Schaltfrequenz bei allen Solar element oscillates. Preferably, the switching frequency is at all
Ausführungsformen ein ganzzahliger Teil der Eigenfrequenz. Embodiments an integer part of the natural frequency.
[00073] Die nicht-linear betriebenen Solarelemente haben eine The non-linearly operated solar elements have a
bauteilspezifische untere Grenzfrequenz. Unterhalb dieser Grenzfrequenz zeigt das Solarelement quasi ein typisches Diodenverhalten. Bei einer Anregung oberhalb der bauteilspezifischen unteren Grenzfrequenz beginnt das component-specific lower limit frequency. Below this cutoff frequency, the solar element shows a typical diode behavior. When an excitation above the component-specific lower limit frequency begins the
Solarelement Wechselstromsignale durchzuleiten. Vorzugsweise wird daher ein Schwingungssystem bei allen Ausführungsformen mit einer Betriebsfrequenz betrieben, die oberhalb der unteren Grenzfrequenz liegt. Solar element to pass AC signals. Preferably, therefore, a vibration system is operated in all embodiments at an operating frequency which is above the lower limit frequency.
[00074] Um den Bereich des nicht-linearen Verhaltens zu erreichen, respektive um das Solarelement im nicht-linearen betreiben zu können, ist vorzugsweise bei allen Ausführungsformen neben der Betriebsfrequenz oberhalb der unteren Grenzfrequenz ebenfalls eine bauteilspezifische Mindestamplitude der Schwingung notwendig. Die Aussteuerung des Signals, das mit Betriebsfrequenz schwingt, sollte daher vorzugsweise bei allen Ausführungsformen so gewählt sein, dass die Schwingung der am nicht-linear betriebenen Solarelement herrschenden Spannung eine maximale Schwingungsamplitude aufweist, die mindestens gleich oder größer ist als die Differenz aus Leerlaufspannung und mittlerer Arbeitsspannung des Solarelements. Oder die Aussteuerung des Signals, das mit Betriebsfrequenz schwingt, sollte so gewählt sein, dass die maximale Amplitude des Stromsignals mindestens dem doppelten mittleren Strom entspricht, der durch das nicht-lineare Schaltungselement fließt. In order to achieve the range of non-linear behavior, or in order to operate the solar element in the non-linear, is preferably in all embodiments in addition to the operating frequency above the lower Cut-off frequency also a component-specific minimum amplitude of the oscillation necessary. The modulation of the signal oscillating at operating frequency should therefore preferably be selected in all embodiments such that the oscillation of the voltage prevailing at the non-linearly operated solar element has a maximum oscillation amplitude that is at least equal to or greater than the difference between open circuit voltage and average Working voltage of the solar element. Or the modulation of the signal oscillating at operating frequency should be chosen such that the maximum amplitude of the current signal corresponds to at least twice the average current flowing through the non-linear circuit element.
[00075] Oberhalb der unteren Grenzfrequenz können verschiedene Above the lower limit frequency, various
Arbeitspunkte existieren, die allesamt in einem oder mehreren Arbeitsbereichen des Kennfeldes des Solarelements liegen. Der Arbeitsbereich kann bei allen Ausführungsformen beispielsweise empirisch ermittelt werden. Die Operating points exist that are all in one or more work areas of the map of the solar element. The working range can be determined empirically in all embodiments, for example. The
Schaltfrequenz des Steuersignals sollte vorzugsweise bei allen Switching frequency of the control signal should preferably be at all
Ausführungsformen mit der aktuellen Betriebsfrequenz des nicht-linearen Solarelements in Phase schwingen. Vibrate embodiments in phase with the current operating frequency of the non-linear solar element.
[00076] Vorzugsweise liegt die untere Grenzfrequenz bei allen Preferably, the lower cutoff frequency is all
Ausführungsformen im Bereich zwischen 5 und 20 kHz, und besonders vorzugsweise im Bereich zwischen 6 und 18 kHz. Ganz besonders bevorzugt ist ein Bereich zwischen 7 und 15 kHz. Die untere Grenzfrequenz hängt jedoch von der konkreten Ausgestaltung der Ausführungsform ab und kann daher auch in anderen Bereichen liegen. Embodiments in the range between 5 and 20 kHz, and more preferably in the range between 6 and 18 kHz. Very particularly preferred is a range between 7 and 15 kHz. However, the lower limit frequency depends on the specific embodiment of the embodiment and can therefore be in other areas.
[00077] D.h. die entsprechenden Ausführungsformen sollten vorzugsweise mit einer Betriebsfrequenz schwingen, die oberhalb dieser unteren Grenzfrequenz liegt. [00077] the corresponding embodiments should preferably oscillate at an operating frequency which is above this lower limit frequency.
[00078] Die obere Grenze ergibt sich vorzugsweise für alle Ausführungsformen aus der Eigenschwingungsfrequenz des konkret verwendeten The upper limit preferably results for all embodiments from the natural frequency of the concrete used
Schwingungssystems. Bei Schwingkreisen mit Solarelementen liegt diese Eigenschwingungsfrequenz im tiefen Megaherz-Bereich. Vorzugsweise liegt die Betriebsfrequenz mit der die Ausführungsformen der Erfindung schwingen, im Bereich unterhalb von 10 MHz und vorzugsweise im Bereich unterhalb von 8 MHz. Besonders vorzugsweise liegt die Betriebsfrequenz bei allen Vibration system. For resonant circuits with solar elements, this natural frequency is in the low megahertz range. Preferably, the operating frequency with which the embodiments of the invention oscillate is in the range below 10 MHz, and preferably in the range below 8 MHz. Most preferably, the operating frequency is all
Ausführungsformen mit Solarelement im Bereich unterhalb von 2 MHz. Embodiments with solar element in the range below 2 MHz.
[00079] Vorzugsweise wird bei allen Ausführungsformen die Obergrenze der Schaltfrequenz durch die Eigenschwingungsfrequenz des Schwingungssystems definiert. Die Eigenschwingungsfrequenz hängt von der Wahl der Bauteile (bsp. von der Induktivität) ab. Preferably, in all embodiments, the upper limit of the switching frequency is defined by the natural vibration frequency of the vibration system. The natural oscillation frequency depends on the choice of the components (eg of the inductance).
[00080] Vorzugsweise ist die Obergrenze der Schaltfrequenz bei allen Preferably, the upper limit of the switching frequency is at all
Ausführungsformen kleiner oder gleich der Eigenschwingungsfrequenz des Embodiments less than or equal to the natural frequency of the
Schwingungssystems. Vibration system.
[00081] Vorzugsweise wird bei allen Ausführungsformen die Leistungsschaltung bzw. das Schwingungssystem durch Energie aus dem schwingenden, [00081] Preferably, in all embodiments, the power circuit or the vibration system is oscillated by energy from the vibrating,
lichtbeschienenen Solarelement gespeist. Es braucht daher in den meisten Fällen keine externe Energieversorgung für die Leistungsschaltung bzw. für das lighted solar element fed. Therefore, in most cases it does not need an external power supply for the power circuit or for the
Schwingungssystem. Vibration system.
[00082] Vorzugsweise ist die Leistungsschaltung bzw. das Schwingungssystem bei allen Ausführungsformen so als schwingfähige Schaltung ausgelegt, dass es ein Eigenschwingverhalten zeigt und dass es seine Energie im Wesentlichen nur aus dem mit Licht beschienenen Solarelement bezieht. Preferably, the power circuit or the vibration system is designed in all embodiments as a vibratory circuit that it exhibits a natural vibration behavior and that it draws its energy substantially only from the lighted solar element.
[00083] Vorzugsweise gibt es bei allen Ausführungsformen in dem Material des Solarelements freie Ladungsträger, die beweglich sind. Wenn das Solarelement als Teil eines Schwingkreises betrieben wird (z. B. durch das Anlegen eines Steuersignals), so werden schnelle Ladungsträger-Bewegungsprozesse ausgelöst. Preferably, in all embodiments in the material of the solar element there are free charge carriers which are movable. When the solar element is operated as part of a resonant circuit (eg, by the application of a control signal), fast carrier motion processes are initiated.
[00084] Bei allen Ausführungsformen kann das Solarelement einen inneren Aufbau aufweisen, der zwei unterschiedliche Materialbereiche oder In all embodiments, the solar element may have an internal structure, the two different material areas or
Materialschichten und einen Materialübergang zwischen diesen beiden Material layers and a material transition between these two
unterschiedlichen Materialbereichen oder -schichten umfasst. Der comprises different material regions or layers. Of the
Materialübergang dient in diesem Fall als ladungsarme (Zwischen-)Zone und die beiden unterschiedlichen Materialbereiche können z.B. Elektronen in dem einen Bereich und (Elektronen-)Löcher in dem anderen Bereich aufweisen. Bei allen Ausführungsformen können die beiden unterschiedlichen Materialbereiche oder - schichten je andersartig dotierte Halbleitermaterialien umfassen. Aufgrund der Ladungstrennung ergibt sich ein intrinsisches Feld im Solarelement. Die Material transition in this case serves as a charge-poor (intermediate) zone and the two different material regions may, for example, comprise electrons in one region and (electron) holes in the other region. In all embodiments, the two different material regions or layers may each comprise differently doped semiconductor materials. Due to the Charge separation results in an intrinsic field in the solar element. The
Erfindung nutzt dieses intrinsische Feld unter anderem durch Modulation im Schwingkreis. Invention uses this intrinsic field, inter alia, by modulation in the resonant circuit.
[00085] Vorzugsweise geht es bei allen Ausführungsformen um die [00085] Preferably, all embodiments are concerned with the
Verwendung eines Solarelements in einem speziellen, neuen Betriebsmodus, der sich dadurch auszeichnet, dass Leistung in Form von Strom aus der Vorrichtung der Erfindung bezogen werden kann während das Solarelement mit einer Use of a solar element in a special, new operating mode, which is characterized in that power in the form of power can be obtained from the device of the invention while the solar element with a
Betriebsfrequenz schwingt oder ein Eigenschwingverhalten mit einer Operating frequency oscillates or a natural oscillatory behavior with a
Eigenschwingungsfrequenz, vorzugsweise in einem Resonanzbereich, zeigt. Natural vibration frequency, preferably in a resonance range, shows.
[00086] Das Solarelement muss jedoch nicht bei allen Ausführungsformen im Resonanzbereich betrieben/verwendet werden. Es kann auch zum Schwingen mit der erwähnten Betriebsfrequenz angeregt werden. However, the solar element does not have to be operated / used in all embodiments in the resonance range. It can also be excited to vibrate with the mentioned operating frequency.
[00087] Um ein Solarelement oszillierend betreiben zu können, ist dieses bei allen Ausführungsformen ein Bestandteil eines schwingungsfähigen, elektrischen Schwingungssystems. In order to operate a solar element oscillating, this is a component of a vibratory, electric vibration system in all embodiments.
[00088] Das elektrische Schwingverhalten eines Solarelements als Bestandteil eines Schwingungssystems passt sich vorzugsweise bei allen Ausführungsformen der Dynamik der Ladungsträgerpaare im Inneren des Solarelements an. Die Dynamik der Ladungsträgerpaare wird primär bestimmt durch deren The electrical vibration behavior of a solar element as part of a vibration system preferably adapts in all embodiments of the dynamics of the charge carrier pairs in the interior of the solar element. The dynamics of the charge carrier pairs is primarily determined by their
Erzeugungsrate, Beweglichkeit und Rekombinationsrate, sowie durch die Generation rate, mobility and recombination rate, and by the
Gesamtimpedanz des Schwingungssystems. Total impedance of the vibration system.
[00089] Vorzugsweise wird das Solarelement bei allen Ausführungsformen als Bestandteil eines Schwingkreises so betrieben/verwendet, dass das Schwingen des Solarelements und gegebenenfalls des gesamten Schwingkreises durch den photovoltaischen Effekt gespeist wird . In diesem Fall dient vorzugsweise die Energie des beleuchteten Solarelements zum Aufladen der Induktivität(en) des Schwingkreises. Preferably, the solar element is operated / used in all embodiments as part of a resonant circuit so that the oscillation of the solar element and optionally of the entire resonant circuit is fed by the photovoltaic effect. In this case, the energy of the illuminated solar element is preferably used for charging the inductance (s) of the resonant circuit.
[00090] Vorzugsweise wird das Solarelement bei allen Ausführungsformen als Bestandteil eines Schwingungssystems so betrieben/verwendet, dass die Preferably, the solar element is operated / used in all embodiments as part of a vibration system so that the
Induktivität(en) als Energie-Zwischenspeicher für Energie dient/dienen, die vom beleuchteten Solarelement bereitgestellt wird. [00091] Ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Schwingungssystems mit Solarelement umfasst vorzugsweise bei allen Ausführungsformen die folgenden Schritte : Inductor (s) serve as an energy buffer for energy, which is provided by the illuminated solar element. A method for operating a solar cell electrical oscillation system preferably comprises the following steps in all embodiments:
Aussetzen oder Einbringen des nicht-linearen Schaltungselements (hier in Form eines Solarelements) in ein Strahlungsfeld (hier in Form von Licht), Anregen eines Schwingverhaltens des Schwingungssystems, wobei das Solarelement und das Schwingungssystem mit einer Betriebsfrequenz Exposing or introducing the non-linear circuit element (here in the form of a solar element) into a radiation field (here in the form of light), exciting a vibration behavior of the vibration system, wherein the solar element and the vibration system at an operating frequency
(vorzugsweise elektrisch frei und in Resonanz) schwingen,  (preferably electrically free and in resonance),
Verfügbarmachen eines Gleichstromsignals und/oder eines  Making available a DC signal and / or a
Wechselstromsignals an dem Schwingungssystem oder dem Solarelement.  AC signal to the vibration system or the solar element.
[00092] Der Ausdruck„Verfügbarmachen" wird hier im Zusammenhang mit einem Wechselstromsignal und/oder einem Gleichstromsignal verwendet, um das Entziehen, Abnehmen, Abgreifen, Bereitstellen, Weiterleiten oder Abgeben von elektrischer Energie zu umschreiben. The term "make available" is used herein in the context of an AC signal and / or a DC signal to describe the removal, removal, tapping, providing, forwarding or delivering of electrical energy.
[00093] Vorzugsweise wird bei allen Ausführungsformen entweder nur die Gleichstromleistung (ganz oder teilweise) oder nur die Wechselstromleistung (ganz oder teilweise) dem Schwingungssystem entzogen, oder es werden sowohl die Gleichstromleistung (ganz oder teilweise) als auch die Wechselstromleistung (ganz oder teilweise) dem Schwingungssystem entzogen. [00093] Preferably, in all embodiments, either only the DC power (in whole or in part) or only the AC power (wholly or partly) is subtracted from the vibration system, or both the DC power (in whole or in part) and the AC power (in whole or in part) extracted from the vibration system.
[00094] Vorzugsweise erfolgt bei allen Ausführungsformen ein Anregen des Eigenschwingverhaltens des elektrischen Schwingungssystems so, dass eine Modulation des Solarelements und des elektrischen Feldes im Inneren des Solarelements bewirkt werden. Preferably, in all embodiments, an exciting of the natural vibration behavior of the electrical vibration system is such that a modulation of the solar element and the electric field in the interior of the solar element are effected.
[00095] Falls das Solarelement erfindungsgemäss verwendet/betrieben wird, so treten vorzugsweise bei allen Ausführungsformen eine oder mehrere der folgenden vorteilhaften Wirkungen bzw. Effekte auf: a. Es kommt zu einer Erhöhung der freien Ladungsträger in dem Solarelement; b. Die Quantenausbeute des Solarelements wird erhöht, [00095] If the solar element is used / operated according to the invention, then in all embodiments one or more of the following advantageous effects or effects preferably occur: a. There is an increase in the free charge carriers in the solar element; b. The quantum efficiency of the solar element is increased,
c. Der Innenwiderstand des Solarelements wird reduziert (d.h. die inneren c. The internal resistance of the solar element is reduced (i.e., the internal resistance)
ohmschen Verluste werden vermindert). [00096] Vorzugsweise wird das Solarelement bei allen Ausführungsformen als Bestandteil eines Schwingkreises so betrieben/verwendet, dass die ohmic losses are reduced). Preferably, the solar element is operated / used in all embodiments as part of a resonant circuit so that the
Eigenfrequenz des Schwingkreises ein ganzzahliges Vielfaches der Schaltfrequenz des Steuersignals darstellt. Eine Energieentnahme kann in Phase mit der Natural frequency of the resonant circuit is an integer multiple of the switching frequency of the control signal. An energy withdrawal can be in phase with the
Eigenschwingung des Schwingkreises erfolgen. Self-oscillation of the resonant circuit done.
[00097] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnung Further details and advantages of the invention will be described below with reference to exemplary embodiments and with reference to the drawing
beschrieben. described.
Fig. 1A zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Solarelements der Fig. 1A shows a simplified equivalent circuit diagram of a solar element of
Erfindung;  Invention;
Fig. 1B zeigt ein genaueres Ersatzschaltbild eines Solarelements der  Fig. 1B shows a more detailed equivalent circuit of a solar element of
Erfindung;  Invention;
Fig. IC zeigt ein zusammengefasstes Ersatzschaltbild eines Solarelements der  Fig. IC shows a summarized equivalent circuit diagram of a solar element of
Erfindung;  Invention;
Fig. 1D zeigt das Schaltungssymbol einer einzelnen Solarzelle, die z.B.  Fig. 1D shows the circuit symbol of a single solar cell, e.g.
Bestandteil eines Solarelements der Erfindung sein kann;  Part of a solar element of the invention may be;
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Vorrichtung der Erfindung; Fig. 2 shows an equivalent circuit diagram of a first device of the invention;
Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer zweiten Vorrichtung der Erfindung; Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer dritten Vorrichtung der Erfindung; Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of a second apparatus of the invention; Fig. 4 is an equivalent circuit diagram of a third device of the invention;
Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild einer vierten Vorrichtung der Erfindung; Fig. 5 is an equivalent circuit diagram of a fourth device of the invention;
Fig. 6 zeigt ein Ersatzschaltbild einer fünften Vorrichtung der Erfindung; Fig. 6 shows an equivalent circuit diagram of a fifth device of the invention;
Fig. 7 zeigt ein Ersatzschaltbild einer sechsten Vorrichtung der Erfindung; Fig. 8 zeigt ein Spannungs-Zeitdiagramm eines beispielhaften Schaltsignals der Erfindung; Fig. 7 shows an equivalent circuit diagram of a sixth device of the invention; Fig. 8 shows a voltage-time diagram of an exemplary switching signal of the invention;
Fig. 9 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsform, die auf dem Prinzip der zweiten Vorrichtung der Erfindung (siehe Fig . 7) basiert;  Fig. 9 shows the circuit diagram of an embodiment based on the principle of the second device of the invention (see Fig. 7);
Fig. 10 zeigt das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform, die auf dem  Fig. 10 shows the circuit diagram of another embodiment, which on the
Prinzip der Fig . 9 basiert.  Principle of FIG. 9 based.
[00098] Als Bauelement wird hier eine Vorrichtung bezeichnet, die Teil einer elektrisch arbeitenden Schaltung sein kann. Es muss sich nicht zwingend um ein diskretes Bauteil handeln. Als diskretes Bauteil wird allgemein ein in einem eigenen Gehäuse befindliches elektrisches Schaltungselement mit eigenen äußeren Anschlüssen (z.B. in Form von Metallkontakten) bezeichnet. Der Begriff „diskretes Bauteil" ist hier jedoch breiter zu verstehen. Es handelt sich bei dem diskreten Bauteil um eine Funktionseinheit. Ein diskretes Bauteil ist im Sinne der Erfindung eine Funktionseinheit, die mit äußeren Anschlüssen versehen ist, oder an der äußere Anschlüsse (z. B. an Ankoppelbereichen) anbringbar sind . Es braucht nicht unbedingt ein Gehäuse. As a component is referred to a device which may be part of an electrically operating circuit. It does not necessarily have to be a discrete component. As a discrete component is generally located in a separate housing befindliches electrical circuit element with its own external terminals (eg in the form of metal contacts). The term However, the term "discrete component" is to be understood more broadly here: The discrete component is a functional unit. A discrete component is in the sense of the invention a functional unit which is provided with external connections or on which external connections (eg. It does not necessarily need a housing.
[00099] Das diskrete Bauteil der Erfindung kann zum Beispiel aus mehreren Funktionseinheiten gleicher oder unterschiedlicher Bauart zusammengesetzt sein. The discrete component of the invention may for example be composed of several functional units of the same or different types.
[000100] Wenn im Folgenden zum Beispiel von einem Schwingkreis mit einer Kapazität und einer Induktivität die Rede ist, dann können sich bei allen If in the following, for example, from a resonant circuit with a capacity and an inductance is mentioned, then all can
Ausführungsformen der Erfindung sowohl die Kapazität als auch die Induktivität aus mehreren Teilgrössen und/oder -elementen und/oder Bereichen (z.B. den Kabeln, Zuleitungen, Leitungsbahnen) der Vorrichtung zusammensetzen. Embodiments of the invention combine both the capacitance and the inductance of a plurality of sub-sizes and / or elements and / or areas (e.g., the cables, leads, tracks) of the device.
Allgemein ist daher auch von einer komplexwertigen Impedanz Z die Rede. Die Impedanz Z kann bei allen Ausführungsformen mindestens einen ohmschen Widerstand (z.B. R, Ri oder R2) und/oder mindestens eine Kapazität (z.B. C, Ci oder C2) und/oder mindestens eine Induktivität (z. B. L, Li oder L2) umfassen. Das Verhalten der Impedanz Z im Schwingkreis kann durch eine komplexwertige Funktion beschrieben werden. Die Impedanz Z ist dabei als passiver Zweipol zu betrachten. Die komplexwertige Impedanz Z, respektive mindestens eine In general, therefore, a complex-valued impedance Z is mentioned. The impedance Z may in all embodiments at least one ohmic resistance (eg R, Ri or R 2 ) and / or at least one capacitance (eg C, Ci or C 2 ) and / or at least one inductance (eg L, Li or L 2 ). The behavior of the impedance Z in the resonant circuit can be described by a complex-valued function. The impedance Z is to be regarded as a passive dipole. The complex-valued impedance Z, or at least one
Induktivität oder Kapazität der komplexwertigen Impedanz, kann Teil des nichtlineares Schaltungselements 10 (z.B. des Solarelements 10.1) sein. Inductance or capacitance of the complex valued impedance may be part of the nonlinear circuit element 10 (e.g., the solar element 10.1).
[000101] Im Folgenden ist allgemein von einem externen Strahlungsfeld EF (in den meisten Fällen Sonnenlicht und/oder künstliches Licht) die Rede. Unter diesem Begriff werden Strahlungsfelder subsummiert, die elektromagnetischer Natur sind . In the following, in general, an external radiation field EF (in most cases sunlight and / or artificial light) is mentioned. This term subsumes radiation fields that are electromagnetic in nature.
[000102] Das nicht-lineare Verhalten von Bauteilen wird bisher meist als unerwünscht angesehen. Die Nicht-Linearität wird hingegen gemäss Erfindung bei allen Ausführungsformen bewusst eingesetzt. Verallgemeinert kann The non-linear behavior of components has hitherto usually been regarded as undesirable. The non-linearity, however, is deliberately used according to the invention in all embodiments. Generalized
Folgendes postuliert werden. Mindestens eine der folgenden Grössen des nichtlinearen Schaltungselements 10 ist variabel : Widerstand Rni, Induktivität Lni, Kapazität Cni. In Gleichungsform dargestellt gilt das Folgende (die Indizes„nl„ sollen andeuten, dass es in dieser Gleichung um die (inhärenten) Eigenschaften des nicht-linearen Schaltungselements 10 geht) : Postulate the following. At least one of the following magnitudes of the nonlinear circuit element 10 is variable: resistance R n i, inductance L n i, capacitance C n i. Represented in equation form the following applies (the indices "nl" are intended to indicate that this equation deals with the (inherent) properties of the non-linear circuit element 10):
Rni = f(I) und/oder Lni = f(I) und/oder Cni = f(q), wobei I für den Strom und q für die Ladungsträgerdichte stehen. Rni = f (I) and / or L n i = f (I) and / or C n i = f (q), where I is the current and q is the carrier density.
[000103] Das nicht-lineare Schaltungselement 10 verhält sich typischerweise linear in einem Bereich definierter Größe (oder Stärke) und Ausbildung der Form des Eingangssignals bis zu einem, z. B. durch Messung definierbaren, Punkt. The non-linear circuit element 10 typically behaves linearly in a range of defined magnitude (or magnitude) and shapes the shape of the input signal up to one, e.g. B. definable by measurement, point.
Danach wird das Verhalten nicht-linear. Das nicht-lineare Schaltungselement 10 wird bei allen Ausführungsformen bewusst im nicht-linearen Bereich betrieben. After that, the behavior becomes non-linear. The non-linear circuit element 10 is intentionally operated in the non-linear range in all embodiments.
[000104] Vorzugsweise wird das nicht-lineare Schaltungselement 10 bei allen Ausführungsformen der Erfindung oberhalb einer unteren Grenzfrequenz betrieben, um so das nicht-lineare Schaltungselement 10 in ein geeignetes Schwingungsverhalten zu versetzen. Preferably, the non-linear circuit element 10 is operated in all embodiments of the invention above a lower cut-off frequency, so as to put the non-linear circuit element 10 in a suitable vibration behavior.
[000105] Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen der Erfindung ein nicht-lineares Schaltungselement 10 in Form eines diskreten Bauelements zum Einsatz. Derartige nicht-lineare Schaltungselemente 10 können im Allgemeinen durch eine oder mehrere Kennlinien oder durch ein oder mehrere (mehrdimensionale) Kennfelder beschrieben werden. Es besteht, wie anhand der Kennlinien oder der Kennfelder ermittelt werden kann, im Arbeitsbereich der Erfindung keine lineare Beziehung z.B. zwischen einer am nicht-linearen Preferably, in all embodiments of the invention, a non-linear circuit element 10 in the form of a discrete component is used. Such non-linear circuit elements 10 may generally be described by one or more characteristics or by one or more (multi-dimensional) maps. As can be determined from the characteristics or maps, there is no linear relationship, e.g. between one at the non-linear
Schaltungselement 10 eingangsseitig angelegten Spannung und einem am nichtlinearen Schaltungselement ausgangsseitig abzunehmendem Strom. Circuit element 10 on the input side applied voltage and a non-linear circuit element on the output side abzunehmendem stream.
[000106] Das Schwingungssystem (z.B. in Form eines elektrischen The vibration system (e.g., in the form of an electric
Schwingkreises) kann bei allen Ausführungsformen mindestens ein Solarelement 10.1 als nicht-lineares Schaltungselement 10 umfassen. Durch das Anlegen von Licht als externes Feld EF, ist dieses Solarelement 10.1 dazu in der Lage Energie von extern in das elektrische Schwingungssystem einzukoppeln oder Oscillatory circuit) may include at least one solar element 10.1 as non-linear circuit element 10 in all embodiments. By applying light as an external field EF, this solar element 10.1 is able to couple energy from the outside into the electrical vibration system or
einzuspeisen. Bei andauernder Lichteinstrahlung kann dem elektrischen feed. With continuous light irradiation can the electric
Schwingungssystem periodisch oder kontinuierlich Energie zugeführt werden. Vibration system periodically or continuously supplied with energy.
[000107] Vorzugsweise umfassen alle Ausführungsformen ein Solarelement 10.1 als nicht-lineares Schaltungselement 10, das beim Auftreffen von Licht elektrische Energie bereitstellt. Ein Solarelement 10.1 kann im Ersatzschaltbild als Stromquelle dargestellt werden, die das einfallende Licht in einen Photostrom umwandelt. Preferably, all embodiments comprise a solar element 10.1 as a non-linear circuit element 10, the incident light provides electrical energy. A solar element 10.1 can be represented in the equivalent circuit diagram as a current source, which converts the incident light into a photocurrent.
[000108] Hier wird teilweise auf Ersatzschaltbilder verwiesen, um die eigentliche Schaltung der Erfindung durch idealisierte elektronische Bauelemente Reference is made in part to equivalent circuit diagrams to the actual circuit of the invention by idealized electronic components
beschreiben zu können. Die physikalische Wirkungsweise der Ersatzschaltbilder entspricht derjenigen der eigentlichen Schaltungen/Vorrichtungen 100 der Erfindung . to be able to describe. The physical operation of the equivalent circuit diagrams corresponds to that of the actual circuits / devices 100 of the invention.
[000109] Die Funktion eines solchen Solarelements 10.1 kann beispielsweise auf dem photovoltaischen Prinzip basieren. Ein Solarelement 10.1 der Erfindung kann z. B. eines oder mehrerer Solarmodule umfassen, es kann sich bei dem Solarelement 10.1 aber auch um eine einzelne Solarzelle 3 (siehe z. B. Fig. 1D) oder um mehrere Solarzellen 3 handeln. The function of such a solar element 10.1 can be based for example on the photovoltaic principle. A solar element 10.1 of the invention may, for. B. include one or more solar modules, it may be at the solar element 10.1 but also a single solar cell 3 (see, for example, Fig. 1D) or multiple solar cells 3.
[000110] Die Erfindung kann bei allen Solarelementen 10.1 zur Anwendung kommen, die als Stromquelle in einer sogenannten schwingungsfähigen [000110] The invention can be used in all solar elements 10.1, which are used as a power source in a so-called oscillatory
Leistungsschaltung betrieben werden. Power circuit operated.
[000111] Als schwingungsfähige Leistungsschaltung wird hier derjenige Teil einer (Gesamt-)Vorrichtung 100 bezeichnet, der zum Bereitstellen elektrischer Leistung ausgelegt ist. In der Leistungsschaltung können zum Teil hohe Ströme fliessen und grosse Spannungen auftreten. Die Leitungsbahnen der As an oscillatory power circuit here that part of a (total) device 100 is designated, which is designed to provide electrical power. In the power circuit can sometimes flow high currents and high voltages occur. The pathways of the
Leistungsschaltung sollten daher entsprechend dimensioniert sein. Power circuit should therefore be dimensioned accordingly.
[000112] Fig. 1A zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines beleuchteten Solarelements 10.1 in Durchlassrichtung (hier wird der Einfachheit halber das Ein-Dioden Modell verwendet). Das Ersatzschaltbild umfasst die Parallelschaltung einer Stromquelle (falls Licht als externes Feld EF auf das Solarelement 10.1 fällt, liefert diese Stromquelle einen Photostrom IPh) und einer Diode Di. Diese Diode Di repräsentiert den p-n-Übergang des Solarelements 10.1. 1A shows a simplified equivalent circuit diagram of an illuminated solar element 10.1 in the forward direction (here, for the sake of simplicity, the single-diode model is used). The equivalent circuit comprises the parallel connection of a current source (if light falls as an external field EF on the solar element 10.1, this current source supplies a photocurrent I P h) and a diode Di. This diode Di represents the pn junction of the solar element 10.1.
[000113] An der Parallelschaltung kann die Spannung U abgegriffen werden. Ohne Last an der Parallelschaltung entspricht die Spannung U der [000113] The voltage U can be tapped at the parallel circuit. Without load on the parallel circuit corresponds to the voltage U of
Leerlaufspannung des Solarelements 10.1. Falls z. B. ein Lastwiderstand parallel zu der Diode Di geschaltet ist, so fliesst ein Strom I durch diese Last. [000114] Eine Solarzelle 3, die beispielsweise Bestandteil des Solarelements 10.1 verschiedener Ausführungsformen der Erfindung sein kann, hat in der Praxis neben der einen Diode Di, die in der Ersatzschaltung im Ein-Dioden Modell der Fig . 1A gezeigt ist, auch weitere konzentrierte Elemente, die zur genaueren Berechnung berücksichtigt werden müssen . So wird im Ersatzschaltbild Open circuit voltage of the solar element 10.1. If z. B. a load resistor is connected in parallel with the diode Di, then flows a current I through this load. A solar cell 3, which may for example be part of the solar element 10.1 of various embodiments of the invention has in practice in addition to a diode Di, which in the equivalent circuit in the single-diode model of FIG. 1A, also other concentrated elements that must be considered for more accurate calculation. This is the equivalent circuit diagram
typischerweise eine zweite Diode Da parallel zur ersten Diode Di eingefügt (diese beiden Dioden haben unterschiedliche Sperrströme und Temperaturspannungen) . Ausserdem müssen Widerstände RSH, RSE und eine zusätzliche Kapazität Ca (z. B. für Kontakte und die Raumladungszone der Solarzelle 3) berücksichtigt werden . Ein entsprechendes Ersatzschaltbild ist in Fig . 1 B gezeigt. typically a second diode D a inserted parallel to the first diode Di (these two diodes have different reverse currents and temperature voltages). In addition, resistors RSH, RSE and an additional capacitance C a (eg for contacts and the space charge zone of the solar cell 3) must be taken into account. A corresponding equivalent circuit diagram is shown in FIG. 1 B shown.
[000115] Alle genannten Ersatzschaltungen und Modelle mit konzentrierten Elementen haben zum Ziel die physikalischen Vorgänge in einer Solarzelle mit realen technischen Bauteilen nachzubilden . Die rechnerische Approximation wird umso besser umso genauer man das Ersatzschaltbild und dessen konzentrierte Elemente definiert. [000115] All mentioned equivalent circuits and models with concentrated elements have the goal of simulating the physical processes in a solar cell with real technical components. The computational approximation is the better the more accurately one defines the equivalent circuit and its lumped elements.
[000116] Falls eine solche Solarzelle 3 nicht beleuchtet wird (Dunkelfall genannt), entfällt die Stromquelle IPh im Ersatzschaltbild . Die unbeleuchtete Solarzelle 3 ist eine Halbleiterdiode, die einen Strom von der p- nach der n-Seite fließen lässt, wenn die Spannung U über der Diode von p nach n gerichtet ist. [000116] If such a solar cell 3 is not illuminated (called a dark case), the current source I P h is omitted in the equivalent circuit diagram. The unlit solar cell 3 is a semiconductor diode which allows current to flow from the p-side to the n-side when the voltage U across the diode is directed from p to n.
[000117] Fig . IC ist das Ersatzschaltbild des Solarelements 10.1 als [000117] IC is the equivalent circuit diagram of the solar element 10.1 as
Schaltungsblock vereinfacht. Diese zusammengefasste Darstellung wird teilweise in den nachfolgenden Figuren verwendet, wobei aus dem vereinfachten Circuit block simplified. This summary is partially used in the following figures, with the simplified
Schaltungsblock des Solarelements 10.1 und aus der zusammengefassten Circuit block of the solar element 10.1 and from the summarized
Darstellung keine Rückschlüsse auf den realen Aufbau des Solarelements 10.1 bzw. auf dessen Bestandteile/Komponenten zu ziehen sind . Representation no conclusions on the real structure of the solar element 10.1 or on its components / components are to draw.
[000118] Fig . 1 D zeigt das reale Schaltungssymbol einer einzelnen Solarzelle 3, die Teil eines Solarelements 10.1 der Erfindung sein kann . Typischerweise werden für praktische Anwendungen der Erfindung mehrere Solarzellen 3 zu einem Solarelement 10.1 zusammengeschaltet, um die gewünschte elektrische Leistung zu erhalten . Das Solarelement 10.1 der Erfindung kann bei allen [000118] Figure 1D shows the real circuit symbol of a single solar cell 3, which may be part of a solar element 10.1 of the invention. Typically, for practical applications of the invention, multiple solar cells 3 are interconnected to a solar element 10.1 to obtain the desired electrical power. The solar element 10.1 of the invention can be used at all
Ausführungsformen beispielsweise Embodiments, for example
- eine Serienschaltung von zwei oder mehr als zwei Solarzellen 3, - eine Parallelschaltung von zwei oder mehr als zwei Solarzellen 3,a series connection of two or more than two solar cells 3, a parallel connection of two or more than two solar cells 3,
- oder eine Kombination aus parallel und in Serie geschalteten Solarzellen 3 umfassen. or comprise a combination of parallel and series-connected solar cells 3.
[000119] Zur Bereitstellung praktisch nutzbarer Spannungen an einem Abgriff 4 der Vorrichtung 100 können bei allen Ausführungsformen z. B. mehrere To provide practically usable voltages at a tap 4 of the device 100 may be in all embodiments, for. B. several
Solarzellen 3 in Serie geschaltet werden. Solar cells 3 are connected in series.
[000120] Die Vorrichtung 100 der Erfindung kann mittels einer The apparatus 100 of the invention may be implemented by means of a
Wechselsignalquelle G angeregt werden. Vorzugsweise umfassen daher alle Ausführungsformen der Vorrichtung 100 Anschlüsse 1.1, 1.2 oder Alternating signal source G are excited. Therefore, all embodiments of the device 100 preferably include connections 1.1, 1.2 or
Ankoppelbereiche zum Anlegen oder Einkoppeln eines Wechselsignals, das hier als Steuersignal SE(t) bezeichnet wird. Ankoppelbereiche for applying or coupling an alternating signal, which is referred to here as a control signal SE (t).
[000121] Um die Tatsache zu symbolisieren, dass ein nicht-lineares To symbolize the fact that a non-linear
Schaltungselement 10 zum Einsatz kommt, ist das Schaltungssymbol dieses Schaltungselements 10 in den Figuren mit einem schräg durchkreuzenden Strich versehen. Da das nicht-lineare Schaltungselement 10 durch das externe Circuit element 10 is used, the circuit symbol of this circuit element 10 is provided in the figures with an obliquely crossing line. Since the non-linear circuit element 10 by the external
Strahlungsfeld EF beeinflussbar ist, weist das Schaltungssymbol mit EF bezeichnete Pfeile auf. Radiation field EF can be influenced, the circuit symbol with EF designated arrows.
[000122] Um das nicht-lineare Schaltungselement 10 entsprechend in einem Schwingkreis der Erfindung einsetzen zu können, wird anhand von Kennlinien oder Kennfeldern ein geeigneter Arbeitsbereich ermittelt, damit das In order to use the non-linear circuit element 10 in accordance with a resonant circuit of the invention, a suitable work area is determined based on characteristics or maps, so that the
Schaltungselement 10 im nicht-linearen Bereich betrieben werden kann. Ein Arbeitspunkt oder -bereich kann auch empirisch ermittelt werden. Die Circuit element 10 can be operated in the non-linear region. An operating point or range can also be determined empirically. The
Schaltungsumgebung der Vorrichtung 100 muss somit entsprechend ausgelegt (dimensioniert) sein . Circuit environment of the device 100 must therefore be designed accordingly (dimensioned).
[000123] Aufgrund der Tatsache, dass ein nicht-lineares Schaltungselement 10 Teil des Schwingungssystems (z.B. in Form eines Schwingkreises) der Erfindung ist, handelt es sich bei diesem Schwingungssystem um ein nicht-lineares Schwingungssystem. Das nicht-lineare Schwingungssystem der Erfindung kann daher nur durch nicht-lineare Netzwerkgleichungen beschrieben werden. Due to the fact that a non-linear circuit element 10 is part of the vibration system (e.g., in the form of a resonant circuit) of the invention, this vibration system is a non-linear vibration system. The nonlinear oscillation system of the invention can therefore only be described by non-linear network equations.
[000124] Das nicht-lineare Schaltungselement 10 der Erfindung umfasst vorzugsweise ein Material in dem sich Raumladungszonen ausbilden. Die Raumladungszonen können inhärent vorhanden sein (z.B. durch eine geeignete Dotierung des Materials des Schaltungselements 10 mit Fremdatomen) und durch das Anlegen einer Vorspannung beeinflusst werden. The non-linear circuit element 10 of the invention preferably comprises a material in which space charge zones form. The Space charge zones may be inherently present (eg, by appropriate doping of the material of the circuit element 10 with impurities) and influenced by the application of a bias voltage.
[000125] Im statischen Zustand (d .h. wenn das Schwingungssystem der In the static state (i.e., when the vibration system of the
Vorrichtung 100 nicht im Betrieb ist) stehen sich unterschiedlich dotierte Zonen, getrennt durch die Raumladungszone, gegenüber und es ergibt sich ein Device 100 is not in operation) face different doped zones, separated by the space charge zone, and there is a
elektrisches Feld (ähnlich wie bei einem Plattenkondensator). Dieses elektrische Feld ist durch das Anlegen von Wechseigrössen am nicht-linearen electric field (similar to a plate capacitor). This electric field is by the application of Wechseigrössen on non-linear
Schaltungselemente 10 (z. B. in Form einer Wechselspannung) modulierbar. Circuit elements 10 (eg in the form of an AC voltage) can be modulated.
[000126] Die Raumladungszone kann auch als Sperrzone bezeichnet werden, wobei die Wirkung der Sperrzone durch das Modulieren des Feldes im Inneren des Materials temporär aufgehoben wird oder sich dynamisch ändert. Das The space charge zone can also be referred to as a blocking zone, wherein the effect of the blocking zone is temporarily canceled by the modulation of the field in the interior of the material or changes dynamically. The
Modulieren des Feldes kann eine sogenannte Rediffusion der Ladungsträger bewirken. Modulating the field can cause a so-called rediffusion of the charge carriers.
[000127] Besonders als Materialien des nicht-linearen Schaltungselements 10 geeignet sind Halbleitermaterialien. Nicht geeignet sind isolierende Materialien. Semiconductor materials are particularly suitable as materials of the non-linear circuit element 10. Not suitable are insulating materials.
[000128] Es ist wichtig, dass es in dem Material des nicht-linearen It is important that it is in the material of non-linear
Schaltungselements 10 Ladungsträger gibt, die beweglich sind . Als Circuit element 10 are charge carriers that are movable. When
Ladungsträger werden hier Elektronen, Löcher und Ionen und andere geladene Teilchen verstanden. Charge carriers are understood here to be electrons, holes and ions and other charged particles.
[000129] Besonders als nicht-lineare Schaltungselemente 10 der Erfindung sind Solarzellen und andere lichtempfindliche Halbleiterbauteile (Dioden, Transistoren, LEDs, OLEDs, ELDs, Optokoppler etc.) und auch Kombinationen der genannten lichtempfindlichen Halbleiterbauteile geeignet. Auch diese Bauteile sind hier unter dem Begriff„Solarelement" zusammengefasst. Solar cells and other photosensitive semiconductor components (diodes, transistors, LEDs, OLEDs, ELDs, optocouplers, etc.) and also combinations of the aforementioned photosensitive semiconductor components are particularly suitable as non-linear circuit elements 10 of the invention. These components are summarized here under the term "solar element".
[000130] Falls ein lichtempfindliches Bauteil als nicht-lineares [000130] If a photosensitive member is nonlinear
Schaltungselement 10 einer Vorrichtung 100 dient, so wird diese in einem Circuit element 10 of a device 100 is used, it is in a
Bereich betrieben, dass es zwischen einer Eingangsgrösse (z.B. einer Operated between an input (e.g.
Eingangsspannung) und einer Ausgangsgrössen (z.B. einem Strom) einen nichtlinearen Zusammenhang gibt. [000131] Wenn das lichtempfindliche Bauteil mit einem externen Strahlungsfeld EF beaufschlagt wird, so ergibt sich eine elektrische Signalverstärkung Input voltage) and an output variable (eg, a current) gives a non-linear relationship. If the photosensitive member is exposed to an external radiation field EF, so there is an electrical signal amplification
gegenüber dem konventionellen DC Fall und/oder eine Veränderung des Feldes im Material des als nicht-lineares Schaltungselement 10 betriebenen compared to the conventional DC case and / or a change in the field in the material of the non-linear circuit element 10 operated
lichtempfindlichen Bauteils. photosensitive component.
[000132] Das nicht-lineare Verhalten von lichtempfindlichen Bauteilen (wie oben genannt) ist bisher weitestgehend unberücksichtigt und ungenutzt. Vor allem werden derartige Bauteile nicht oder kaum in Schaltungen eingesetzt, die mit einem Wechselsignal beaufschlagt werden. The non-linear behavior of photosensitive components (as mentioned above) has hitherto largely been disregarded and unused. Above all, such components are not or hardly used in circuits that are acted upon by an alternating signal.
[000133] Ein lichtempfindliches Bauteil hat eine photoaktive Zone (z. B. in Form einer photoaktiven Schicht) im Inneren des (Halbleiter-)Materials des Bauteils. Es kommt zu sogenannten Rekombinationseffekten, die durch das Anlegen oder Einkoppeln des externen Strahlungsfeldes EF (z. B. Licht) beeinflusst werden. A photosensitive member has a photoactive zone (eg, in the form of a photoactive layer) inside the (semiconductor) material of the device. There are so-called recombination effects, which are influenced by the application or coupling of the external radiation field EF (eg light).
[000134] Das externe Strahlungsfeld EF kann zum Beispiel bei allen The external radiation field EF can, for example, in all
Ausführungsformen der Erfindung einen Einfluss auf den modulierbaren Embodiments of the invention have an influence on the modulatable
Ladungsträgertransport im Material des nicht-linearen Schaltungselements 10 haben. Carrier transport in the material of the non-linear circuit element 10 have.
[000135] Bei der Vorrichtung 100 der Erfindung handelt es sich um eine analog arbeitende Vorrichtung, die vorzugsweise bei allen Ausführungsformen z. B. durch eine Wechselsignalquelle G vorzugsweise kontinuierlich mit Strömen oder In the apparatus 100 of the invention is an analog operating device, which is preferably in all embodiments, for. B. by an alternating signal source G preferably continuously with currents or
Spannungen angeregt werden kann. Es ist aber auch möglich, die Vorrichtung 100 der Erfindung mit Steuerpulsen zu steuern. Voltages can be stimulated. However, it is also possible to control the device 100 of the invention with control pulses.
[000136] Die charakteristischen Frequenzen, bei denen sich die Nicht-Linearität bemerkbar macht, liegen vorzugsweise bei Ausführungsformen, die eine [000136] The characteristic frequencies at which the non-linearity is noticeable are preferably in embodiments which have a
Solarzelle mit dotiertem Siliziummaterial umfassen, im Bereich von 5 kHz bis 10 MHz und vorzugsweise im Bereich von 6 kHz bis 5 MHz. Besonders vorzugsweise liegen die Frequenzen bei allen Ausführungsformen im Bereich von 7 kHz bis 2 MHz. Solar cells with doped silicon material comprise, in the range of 5 kHz to 10 MHz and preferably in the range of 6 kHz to 5 MHz. Particularly preferably, the frequencies in all embodiments are in the range of 7 kHz to 2 MHz.
[000137] Bei lichtempfindlichen Dioden als nicht-linearem Schaltungselement 10 liegen die erforderlichen Frequenzen deutlich höher. Vorzugsweise liegen bei allen Ausführungsformen, die Dioden als nicht-linearem Schaltungselement 10 einsetzen, die Frequenzen im Bereich von mehr als 600 kHz und besonders vorzugsweise im Bereich von mehr als 1000 kHz. In light-sensitive diodes as non-linear circuit element 10, the required frequencies are significantly higher. Preferably, in all embodiments, the diodes are nonlinear circuit elements 10 use the frequencies in the range of more than 600 kHz, and more preferably in the range of more than 1000 kHz.
[000138] Es kann daher bei diesen Ausführungsformen ein Generator G zum Einsatz kommen, der in dem jeweiligen Frequenzbereich arbeitet. It can therefore be used in these embodiments, a generator G, which operates in the respective frequency range.
[000139] In Fig. 2 ist das elektrische Ersatzschaltbild einer ersten Vorrichtung 100 der Erfindung gezeigt. Es handelt sich um das elektrische Ersatzschaltbild eines Serienschwingkreises, der hier eine Induktivität Li, eine Kapazität Ci und einen ohmschen Widerstand Ri umfasst. Weiterhin ist das Symbol des nichtlinearen Schaltungselements 10 gezeigt. Dieses Schaltungselement 10 ist bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform in Serie mit den anderen genannten In Fig. 2, the electrical equivalent circuit of a first device 100 of the invention is shown. It is the equivalent electrical circuit diagram of a series resonant circuit, which here comprises an inductance Li, a capacitance Ci and an ohmic resistance Ri. Furthermore, the symbol of the nonlinear circuit element 10 is shown. This circuit element 10 is in the embodiment shown in Fig. 2 in series with the other mentioned
Elementen angeordnet. Arranged elements.
[000140] Um einen für das Eigenschwingen und für die Energieentnahme geeigneten Schwingkreis zu erhalten, kann die Vorrichtung 100 bei allen In order to obtain a resonant circuit suitable for self-oscillation and energy extraction, the device 100 can be used in all
Ausführungsformen eine Kapazität Cb umfassen, die z. B. parallel zu dem nichtlinearen Schaltungselement 10 angeordnet ist. Embodiments include a capacity Cb, the z. B. is arranged parallel to the non-linear circuit element 10.
[000141] Der Schwingkreis der Vorrichtung 100 ist z. B. mittels einer The resonant circuit of the device 100 is z. B. by means of a
Wechselsignalquelle G anregbar, wie in Fig . 2 angedeutet. Der Einfluss des nichtlinearen Schaltungselements 10 auf den Schwingkreis ist gemäss Erfindung durch das externe Strahlungsfeld EF beeinflussbar. In Fig . 2 ist das externe Strahlungsfeld EF durch einen Blockpfeil symbolisiert, wie bereits erwähnt. Alternating signal source G excitable, as shown in FIG. 2 indicated. The influence of the non-linear circuit element 10 on the resonant circuit can be influenced according to the invention by the external radiation field EF. In Fig. 2, the external radiation field EF is symbolized by a block arrow, as already mentioned.
[000142] Die elektromagnetischen Wellen des externen Strahlungsfeldes EF können künstlich erzeugte Wellen (z.B. einer Lampe) oder natürlich The electromagnetic waves of the external radiation field EF may be artificially generated waves (e.g., a lamp) or natural
vorkommende Wellen (z.B. Tageslicht) sein . occurring waves (e.g., daylight).
[000143] Die Induktivität Li, Kapazität Ci und der ohmsche Widerstand Ri der Vorrichtung 100 verhalten sich im klassischen Sinne linear. Auch die The inductance Li, capacitance Ci and the ohmic resistance Ri of the device 100 behave linearly in the classical sense. Also the
Differentialgleichungen, die einen solchen Serienschwingkreis mit den Elementen Li, Ci und Ri beschreiben, sind linear. Die Nicht-Linearität, die bei allen Differential equations describing such a series resonant circuit with the elements Li, Ci and Ri are linear. The non-linearity that is at all
Ausführungsformen der Erfindung zum Einsatz kommt, wird durch das Einbinden des nicht-linearen Schaltungselements 10 in das Schwingungssystem und durch dessen gezielten Betrieb im nicht-linearen Bereich erzielt. [000144] In Fig. 3 ist das elektrische Ersatzschaltbild einer zweiten Vorrichtung 100 der Erfindung gezeigt. Es handelt sich um das elektrische Ersatzschaltbild eines Parallelschwingkreises, der hier eine Induktivität L2, eine Kapazität C2 und einen ohmschen Widerstand R2 umfasst. Weiterhin ist das Symbol des nichtlinearen Schaltungselements 10 gezeigt. Dieses Schaltungselement 10 ist bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform in Serie mit den parallel geschalteten Elementen angeordnet. Embodiments of the invention is achieved by incorporating the non-linear circuit element 10 in the vibration system and its targeted operation in the non-linear region. In Fig. 3, the electrical equivalent circuit diagram of a second device 100 of the invention is shown. It is the equivalent electrical circuit diagram of a parallel resonant circuit, which here comprises an inductance L 2 , a capacitance C 2 and a resistor R 2 . Furthermore, the symbol of the nonlinear circuit element 10 is shown. This circuit element 10 is arranged in the embodiment shown in Fig. 3 in series with the elements connected in parallel.
[000145] In Fig. 4 ist das elektrische Ersatzschaltbild einer dritten Vorrichtung 100 der Erfindung gezeigt. Es handelt sich um das elektrische Ersatzschaltbild eines weiteren Parallelschwingkreises, der ähnlich aufgebaut ist wie die In Fig. 4, the electrical equivalent circuit diagram of a third device 100 of the invention is shown. It is the electrical equivalent circuit of another parallel resonant circuit, which is similar to the structure
Vorrichtung 100 der Fig . 3. Hier sind eine Kapazität C2 und ein ohmscher Device 100 of FIG. 3. Here are a capacity C 2 and a resistive
Widerstand R2 vorgesehen. Das elektrische Ersatzschaltbild der Fig . 4 umfasst weiterhin einen Transformator TR, der durch einen Generator G mit einem Strom I(t) gespeist wird. Der Transformator TR sorgt für eine galvanische Trennung zwischen der Steuerung durch den Generator G und dem Schwingkreis. Die sekundärseitige Spule des Transformators TR weist eine Induktivität auf, die hier mit l_3 bezeichnet ist. Ansonsten ist die Schaltung der Fig . 4 mit der Schaltung der Fig. 3 vergleichbar. Weiterhin ist in Fig. 4 das Symbol des nicht-linearen Schaltungselements 10 gezeigt. Dieses Schaltungselement 10 ist bei der in Fig . 4 gezeigten Ausführungsform in Serie mit den parallel geschalteten Elementen angeordnet. Resistor R 2 provided. The electrical equivalent circuit diagram of FIG. 4 further comprises a transformer TR which is fed by a generator G with a current I (t). The transformer TR provides a galvanic separation between the control by the generator G and the resonant circuit. The secondary-side coil of the transformer TR has an inductance, which is designated here by I_3. Otherwise, the circuit of FIG. 4 comparable to the circuit of FIG. 3. Furthermore, in Fig. 4, the symbol of the non-linear circuit element 10 is shown. This circuit element 10 is in the in Fig. 4 embodiment arranged in series with the elements connected in parallel.
[000146] Das elektrische Ersatzschaltbild der Fig. 4 zeigt eine sogenannte Selbstläuferstruktur (auch Eigenschwinger genannt), bei der die Steuerung durch eine Pulssequenz (Steuer-Pulssequenz) erfolgt. Durch den Energieeintrag, der durch ein externes Strahlungsfeld EF bereitgestellt wird, kann die Schwingung aufrechterhalten oder sogar verstärkt werden. The electrical equivalent circuit diagram of Fig. 4 shows a so-called self-rotor structure (also called natural oscillator), in which the control by a pulse sequence (control pulse sequence) takes place. By the energy input provided by an external radiation field EF, the vibration can be maintained or even amplified.
[000147] Das elektrische Ersatzschaltbild der Fig. 4 umfasst eine optionale Rückkopplung 2, die eine Verbindung zwischen der Ausgangsseite des nichtlinearen Schaltungselements 10 und der Eingangsseite des Transformators TR bereitstellt. The equivalent electrical circuit diagram of Figure 4 includes an optional feedback 2 which provides a connection between the output side of the non-linear circuit element 10 and the input side of the transformer TR.
[000148] Vorzugsweise kommt bei allen Schaltungen gemäss Fig. 4 ein [000148] Preferably, all circuits according to FIG. 4 are used
Wechselstrom I(t) zum Einsatz. [000149] In Fig. 5 ist das Ersatzschaltbild einer weiteren Vorrichtung 100 der Erfindung gezeigt. Dieses Ersatzschaltbild unterscheidet sich von den anderen Ersatzschaltbildern dadurch, dass das nicht-lineare Schaltungselement 10 parallel geschaltet ist zu einer Impedanz Z3. Alternating current I (t) is used. In Fig. 5, the equivalent circuit of another device 100 of the invention is shown. This equivalent circuit differs from the other equivalent circuits in that the non-linear circuit element 10 is connected in parallel with an impedance Z3.
[000150] In einem Solarelement 10.1 bilden sich vorzugsweise, je nach Aufbau und Konstellation, sogenannte Raumladungsgebiete. Diese Raumladungsgebiete funktionieren aufgrund ihrer räumlichen Trennung wie eine (Raumladungs-) Kapazität, wie bereits erwähnt. [000150] In a solar element 10.1, so-called space charge areas are preferably formed, depending on the structure and constellation. These space charge areas function as a (space charge) capacity due to their spatial separation, as already mentioned.
[000151] Die Leistungsschaltung LK der Erfindung kann bei allen The power circuit LK of the invention can be applied to all
Ausführungsformen im Ersatzschaltbild betrachtet eine Zusammenschaltung aus einer Induktivität und einer Kapazität umfassen. In dieser Induktivität sind alle induktiven Elemente/Bereiche (so auch die Induktivität(en) des Solarelements 10.1) der realen Bauelemente der Leistungsschaltung zusammengefasst. In der Kapazität sind alle kapazitiven Elemente/Bereiche (so auch die Kapazität(en) des Solarelements 10.1) der realen Bauelemente der Leistungsschaltung Embodiments considered in the equivalent circuit diagram comprise an interconnection of an inductance and a capacitance. In this inductance, all inductive elements / areas (as well as the inductance (s) of the solar element 10.1) of the real components of the power circuit are summarized. In capacitance, all capacitive elements / regions (as well as the capacitance (s) of the solar element 10.1) are the real components of the power circuit
zusammengefasst. Zusätzlich umfasst das Ersatzschaltbild mindestens ein summarized. In addition, the equivalent circuit includes at least one
Widerstandselement, das z.B. die Widerstände der Zuleitungen und die Resistive element, e.g. the resistances of the supply lines and the
Bahnwiderstände von p- und n-dotierten Bereichen des Solarelements 10.1 zusammenfasst. Rail resistors of p- and n-doped regions of the solar element 10.1 summarized.
[000152] Die Leistungsschaltung der Erfindung kann bei allen The power circuit of the invention can be applied to all
Ausführungsformen aufgrund der Induktivität und der Kapazität einen Embodiments due to the inductance and the capacity a
schwingfähigen Kreis bilden, der als Schwingungssystem dient. form oscillatory circle, which serves as a vibration system.
[000153] Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen der Erfindung eine Schaltfrequenz oberhalb der unteren Grenzfrequenz zum Einsatz. Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen der Erfindung eine Schaltfrequenz zum Einsatz, die im bereits genannten Bereich zwischen 5 kHz und 10 MHz liegt. [000153] Preferably, in all embodiments of the invention, a switching frequency above the lower limit frequency is used. Preferably, in all embodiments of the invention, a switching frequency is used, which lies in the aforementioned range between 5 kHz and 10 MHz.
Besonders bevorzugt sind Frequenzen in Bereich zwischen 6 kHz und 5 MHz bzw. zwischen 7 kHz und 2 MHz. Diese Schaltfrequenz ist vorzugsweise bei allen Ausführungsformen stets kleiner oder gleich der Eigenschwingungsfrequenz der Eigenschwingung des Schwingkreises samt Solarelement 10.1. Vorzugsweise ist die Schaltfrequenz ein ganzzahliger Teil der Frequenz der Frequencies in the range between 6 kHz and 5 MHz or between 7 kHz and 2 MHz are particularly preferred. In all embodiments, this switching frequency is always less than or equal to the natural oscillation frequency of the natural oscillation of the resonant circuit together with the solar element 10.1. Preferably, the switching frequency is an integer part of the frequency of
Eigenschwingungsfrequenz. [000154] Das Schwingungssystem kann bei allen Ausführungsformen als Natural vibration frequency. The vibration system can be used in all embodiments as
Parallelschwingkreis (an der Kapazität und der Induktivität liegt die gleiche Spannung, aber die Ströme sind unterschiedlich) oder als Serienschwingkreis (durch die Kapazität und die Induktivität fliesst der gleiche Strom, aber die Spannungen können unterschiedlich sein) ausgelegt sein . Parallel resonant circuit (the capacitance and the inductance are the same voltage but the currents are different) or the series resonant circuit (the same current flows through the capacitance and the inductor, but the voltages can be different).
[000155] Die verschiedenen Schaltungen sind durch Umrechnungen ineinander überführbar oder miteinander vergleichbar. [000155] The various circuits can be converted into one another by means of conversions or can be compared with one another.
[000156] Der Unterschied zwischen Serien- und Parallel-Schwingkreisen ist hinlänglich bekannt. In der vorliegenden Beschreibung wird daher nicht weiter explizit auf diese Unterschiede eingegangen. Die Beschreibung der Fig . 2 lässt sich auf die Fig . 3, 4 und 5 und auch auf die Figuren 6 und 7, 9 sowie 10 übertragen. [000156] The difference between series and parallel resonant circuits is well known. The present description therefore does not explicitly address these differences. The description of FIG. 2 can be seen on Figs. 3, 4 and 5 and also to the figures 6 and 7, 9 and 10 transmitted.
[000157] Die Erfindung lässt sich sowohl auf Serien-Schwingkreise mit [000157] The invention can be used both with series resonant circuits
Solarelement(en) 10.1 als auch auf Parallel-Schwingkreise mit Solarelement(en) 10.1 anwenden. Apply solar element (s) 10.1 as well as to parallel resonant circuits with solar element (s) 10.1.
[000158] Das nicht-lineare Verhalten des nicht-linearen Schaltungselements 10 und das nicht-lineare Beeinflussen des Schwingkreises kann nicht durch geschlossene analytische Ausdrücke beschrieben werden. Es kommen vielmehr die bereits erwähnten Kennlinien oder -felder zum Einsatz, um das nicht-lineare Verhalten des Schaltungselements 10 in dem Schwingkreis aufzuzeigen. The non-linear behavior of the non-linear circuit element 10 and the non-linear influencing of the resonant circuit can not be described by closed analytical expressions. Rather, the already mentioned characteristics or fields are used to show the non-linear behavior of the circuit element 10 in the resonant circuit.
[000159] Die Signalgrössen, die im Schwingungssystem auftreten, werden aufgrund des zeitabhängigen Verhaltens jeweils als Funktionen der Zeit dargestellt (z.B. Si(t)). The signal quantities occurring in the oscillation system are represented as functions of time due to the time-dependent behavior (e.g., Si (t)).
[000160] Die Vorrichtung 100 der Erfindung umfasst vorzugsweise bei allen Ausführungsformen die erwähnte Leistungsschaltung LK mit mindestens einem Solarelement 10.1 (das z.B. eine oder mehrere Solarzellen 3 umfassen kann). Diese Leistungsschaltung LK ist dazu ausgelegt beim Anlegen eines externen Feldes EF (z. B. in Form von Licht) an das Solarelement 10.1 elektrische Leistung an einem Abgriff 4 bereitstellen zu können. Die Leistungsschaltung kann bei allen Ausführungsformen durch ein Ersatzschaltbild definiert sein (siehe Fig. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10), das die Elemente eines elektrischen Schwingungssystems umfasst. Ausserdem kann die Leistungsschaltung LK bei allen Ausführungsformen ein schaltbares Element 1 (hier kurz als Schalter bezeichnet) umfassen, das z. B. bei allen Ausführungsformen mittels eines Steuersignals SE(t) von einem The device 100 of the invention preferably comprises in all embodiments the mentioned power circuit LK with at least one solar element 10.1 (which may comprise eg one or more solar cells 3). This power circuit LK is designed to be able to provide electrical power at a tap 4 when an external field EF (eg in the form of light) is applied to the solar element 10.1. The power circuit may be defined in all embodiments by an equivalent circuit diagram (see FIGS. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10) comprising the elements of an electrical vibration system. In addition, the power circuit LK in all embodiments, a switchable element 1 (here briefly referred to as a switch) include, z. B. in all embodiments by means of a control signal SE (t) of a
Sperrzustand in einen Durchgangszustand schaltbar ist. Ausserdem umfasst die Vorrichtung 100 Mittel (z.B. einen Generator G) zum Bereitstellen des Lock state is switchable in a pass state. In addition, the device 100 comprises means (e.g., a generator G) for providing the
Steuersignals SE(t), welches das schaltbare Element 1 abwechselnd von dem Sperrzustand in den Durchgangszustand schaltet. Control signal SE (t), which switches the switchable element 1 alternately from the lock state to the pass state.
[000161] Bei allen Ausführungsformen kann das schaltbare Element 1 eine innere Diode (diese Diode kann z. B. Teil eines Transistors sein) umfassen, oder es kann eine Diode Dl parallel zu dem schaltbaren Element 1 angeordnet sein, wie in den Figuren 6 und 7 angedeutet. In all embodiments, the switchable element 1 may comprise an inner diode (this diode may for example be part of a transistor), or a diode Dl may be arranged parallel to the switchable element 1, as in FIGS 7 indicated.
[000162] In Fig. 6 ist das elektrische Ersatzschaltbild einer fünften Vorrichtung 100 der Erfindung gezeigt. Es handelt sich um das elektrische Ersatzschaltbild eines Serienschwingkreises, der hier eine Induktivität L5, eine Kapazität Cs und einen ohmschen Widerstand Rs umfasst. Weiterhin ist das Symbol des In Fig. 6, the electrical equivalent circuit diagram of a fifth device 100 of the invention is shown. It is the equivalent electrical circuit diagram of a series resonant circuit, which here comprises an inductance L 5 , a capacitance Cs and an ohmic resistance Rs. Furthermore, the symbol of
Solarelements 10.1 gezeigt. Dieses Solarelement 10.1 ist bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform in Serie mit den anderen genannten Elementen angeordnet, wobei die Induktivität L5 parallel zu der Kapazität Cs liegt. In Fig . 6 ist nur die sogenannte Leistungsschaltung LK der Erfindung gezeigt. Es handelt sich bei der Leistungsschaltung LK um denjenigen Teil der Vorrichtung 100, der zur Bereitstellung von elektrischer Leistung vorgesehen und ausgelegt ist. So kann man z.B. an einem Abgriff 4 ein Ausgangssignal Ss(t) abgreifen. Solar element 10.1 shown. This solar element 10.1 is arranged in the embodiment shown in Fig. 6 in series with the other elements mentioned, wherein the inductance L 5 is parallel to the capacitance Cs. In Fig. 6, only the so-called power circuit LK of the invention is shown. The power circuit LK is that part of the device 100 which is provided and designed to provide electrical power. For example, an output signal Ss (t) can be picked up at a tap 4.
[000163] Vorzugsweise kann die Leistungsschaltung LK aller Ausführungsformen elektrische Energie direkt oder indirekt aus dem z.B. mit Licht beschienenen Solarelement 10.1 beziehen. [00016] Preferably, the power circuit LK of all embodiments can receive electrical energy directly or indirectly from e.g. refer to lighted solar element 10.1.
[000164] Vorzugsweise bildet die Leistungsschaltung LK bei allen Preferably, the power circuit LK forms at all
Ausführungsformen einen Schwingkreis, der mittels eines Steuersignals SE(t) anregbar ist, wie bereits erwähnt. Das Steuersignal Ss(t) wirkt beispielweise auf einen Schalter 1 (siehe Fig . 6 und 7) oder auf einen Transistor Tl (siehe Fig . 9 und 10), der durch das Steuersignal SE(t) abwechselnd geöffnet und geschlossen werden kann. [000165] In Fig . 7 ist das elektrische Ersatzschaltbild einer sechsten Vorrichtung 100 der Erfindung gezeigt. Es handelt sich um das elektrische Ersatzschaltbild eines Parallelschwingkreises, der hier eine Induktivität L6, eine Kapazität Ce und einen ohmschen Widerstand Re umfasst. Weiterhin ist das Symbol des Embodiments of a resonant circuit which can be excited by means of a control signal SE (t), as already mentioned. The control signal Ss (t) acts, for example, on a switch 1 (see FIGS. 6 and 7) or on a transistor T1 (see FIGS. 9 and 10), which can be alternately opened and closed by the control signal SE (t). In FIG. 7, the electrical equivalent circuit diagram of a sixth device 100 of the invention is shown. It is the equivalent electrical circuit diagram of a parallel resonant circuit, which here comprises an inductance L 6 , a capacitance Ce and an ohmic resistance Re. Furthermore, the symbol of
Solarelements 10.1 gezeigt. Dieses Solarelement 10.1 ist bei der in Fig . 7 gezeigten Ausführungsform in Serie mit den parallel geschalteten Elementen L6, Ce und Re angeordnet. Die Beschreibung der Fig . 6 lässt sich auch auf diese Ausführungsform übertragen . Man kann z. B. an einem Abgriff 4 ein Solar element 10.1 shown. This solar element 10.1 is in the in Fig. 7 embodiment arranged in series with the parallel-connected elements L 6 , Ce and Re. The description of FIG. 6 can also be transferred to this embodiment. You can z. B. at a tap 4 a
Ausgangssignal s6(t) abgreifen . Pick up output signal s 6 (t).
[000166] In Fig . 8 ist das Spannungs-Zeitdiagramm eines beispielhaften In FIG. 8 is the voltage-time diagram of an exemplary one
Schaltsignals SE(t) der Erfindung gezeigt. Es handelt sich um ein Signal, das hier eine Sequenz aus mehreren Rechteckpulsen umfasst, die sich periodisch wiederholen . Das Tastverhältnis Δ (im Englischen Duty-Cycle genannt) wird hier als dimensionslose Zahl in Prozent angegeben und kann zwischen 0 % und 100% liegen (in der Praxis gilt 0 < Δ < 100) . Das Tastverhältnis Δ ist das zeitliche Verhältnis von Pulsdauer zu Pulsperiode. Bei dem Beispiel in Fig . 8 beträgt das Tastverhältnis Δ = 25%. Zusätzlich zum Tastverhältnis Δ wird das Schaltsignal SE(t) durch die Amplitude, die hier mit UE bezeichnet ist, und durch die Frequenz f definiert, wie dies bei periodischen oder quasi-periodischen Signalen bekannt ist. Switching signal SE (t) of the invention shown. It is a signal, which here comprises a sequence of several square-wave pulses that repeat themselves periodically. The duty cycle Δ (called Duty Cycle in English) is specified here as a dimensionless number in percent and can be between 0% and 100% (in practice, 0 <Δ <100). The duty ratio Δ is the time ratio of pulse duration to pulse period. In the example in FIG. 8, the duty cycle Δ = 25%. In addition to the duty cycle Δ, the switching signal SE (t) is defined by the amplitude, here denoted by UE, and by the frequency f, as is known with periodic or quasi-periodic signals.
[000167] Die Steuerung des Schwingkreises kann bei allen Ausführungsformen durch ein periodisches oder quasiperiodisches Schaltsignal Ss(t) erfolgen, wie beispielhaft in Fig . 8 gezeigt. The control of the resonant circuit can be carried out in all embodiments by a periodic or quasi-periodic switching signal Ss (t), as shown by way of example in FIG. 8.
[000168] Als periodisches Signal wird hier ein Signal bezeichnet, das über einen längeren Zeitraum sich regelmässig wiederholende Schaltpulse aufweist. Als quasi-periodisches Signal wird hier ein Signal bezeichnet, das bezogen auf einen kürzeren Zeitraum sich regelmässig wiederholende Schaltpulse aufweist, das aber über einen längeren Zeitraum betrachtet leichten Veränderungen (z. B. in der Amplitude und/oder der Frequenz der Schaltpulse) unterliegen kann . Eine solche Veränderung des Steuersignals kann sich zum Beispiel in Situationen ergeben, in denen die Vorrichtung 100 eine Steuerschaltung EK (siehe z. B. Fig . 10) umfasst, die auf sich verändernde Umgebungsbedingungen (z. B. auf abnehmende Sonneneinstrahlung) reagiert. [000169] Um eine Steuerschaltung EK oder einen Generator G mit Energie zu versorgen, kann bei allen Ausführungsformen eine zuschaltbare bzw. As a periodic signal, a signal is referred to here, which has over a longer period of time regularly repeating switching pulses. A quasi-periodic signal is referred to here as a signal which has regularly repeating switching pulses with respect to a shorter period of time, but which, over a longer period of time, may be subject to slight changes (eg in amplitude and / or the frequency of the switching pulses) , Such a change in the control signal may arise, for example, in situations in which the device 100 comprises a control circuit EK (see eg Fig. 10) which responds to changing environmental conditions (eg decreasing solar radiation). In order to supply a control circuit EK or a generator G with energy, in all embodiments a switchable or
zugeschaltete elektrische Energiequelle (hier als elektrische Energieversorgung 8 bezeichnet) zum Einsatz kommen. Dies ist in Fig . 10 beispielhaft dargestellt. switched electrical energy source (referred to here as electrical power supply 8) are used. This is shown in FIG. 10 exemplified.
[000170] Als zuschaltbare elektrische Energieversorgung 8 können z.B. ein Netzteil (das z. B. mit Netzspannung gespeist werden kann), ein Akkumulator oder ein Supercap dienen. Die zuschaltbare elektrische Energieversorgung 8 kann bei allen Ausführungsformen auch eines oder mehrere dieser Elemente oder eine Kombination von zwei oder mehr unterschiedlicher Elemente umfassen. As a switchable electric power supply 8, e.g. a power supply (which can be supplied with mains voltage, for example), an accumulator or a supercap. The switchable electrical power supply 8 may in all embodiments also comprise one or more of these elements or a combination of two or more different elements.
[000171] In Fig. 9 ist das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung 100 gezeigt, die auf dem Prinzip der Ersatzschaltung der Fig . 7 aufbaut. Es geht um die Serienschaltung eines Solarelements 10.1, das hier eine Serienschaltung mit vier Solarzellen 3 umfasst, mit einer Induktivität L7. Ein Abgriff 4 ist hier beispielhaft über die Induktivität L7 gelegt. Als Schalter 1 kommt ein MOSFET Tl zum Einsatz, wie gezeigt. MOSFET steht für„metal oxide semiconductor field effect transistor". Um eine einfachere Zuordnung zu ermöglichen, sind an diesem MOSFET Tl das Gate mit Ga, die Source mit S und der Drain mit D bezeichnet. Konkret geht es in diesem Ausführungsbeispiel um einen n-Type MOSFET vom Anreicherungstyp. Durch das Anlegen eines In Fig. 9, the circuit diagram of another embodiment of a device 100 is shown, which is based on the principle of the equivalent circuit of FIG. 7 builds. It is about the series circuit of a solar element 10.1, which here comprises a series circuit with four solar cells 3, with an inductance L. 7 A tap 4 is laid here by way of example via the inductance L 7 . As switch 1, a MOSFET Tl is used, as shown. MOSFET stands for "metal oxide semiconductor field effect transistor." In order to facilitate a simpler assignment, the gate with Ga, the source with S and the drain with D are denoted at this MOSFET T1. Type of enhancement mode MOSFET
Steuersignals SE(t) an das Gate Ga, wird der Kanal des MOSFET Tl aktiviert, indem Ladungsträger zwischen Source S und Drain D in den Bereich unterhalb des Gates Ga induziert werden. Dadurch wird beim Anlegen einer positiven Spannung am Gate Ga der Kanal des MOSFET Tl durchgeschaltet (leitfähig). Wenn man also z. B. das Erregersignal SE(t) der Fig. 8 verwendet, dann bietet der MOSFET Tl eine leitende Verbindung zwischen Source S und Drain D wenn eine positive Spannung anliegt. Wenn hingegen zwischen zwei Pulsen keine Spannung anliegt (Pulspause), dann ist die Verbindung zwischen Source S und Drain D unterbrochen (d .h. der Schalter 1 ist offen). Control signal SE (t) to the gate Ga, the channel of the MOSFET Tl is activated by inducing charge carriers between source S and drain D in the region below the gate Ga. As a result, when a positive voltage is applied to the gate Ga, the channel of the MOSFET T1 is turned on (conductive). So if you z. B. the excitation signal SE (t) of Fig. 8 is used, then the MOSFET Tl provides a conductive connection between the source S and drain D when a positive voltage is applied. If, on the other hand, there is no voltage between two pulses (pulse pause), then the connection between source S and drain D is interrupted (ie the switch 1 is open).
[000172] Die Fig. 10 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform, die auf dem Prinzip der Fig. 9 basiert. Die Beschreibung der Fig . 9 ist daher übertragbar. Hier wird nur auf die Unterschiede eingegangen. In Fig . 10 sind die wesentlichen Elemente (abgesehen von dem Solarelement 10.1) so FIG. 10 shows the block diagram of a further embodiment which is based on the principle of FIG. 9. The description of FIG. 9 is therefore transferable. Here only the differences are discussed. In Fig. 10, the essential elements (apart from the solar element 10.1) are so
zusammengefasst, dass sie in einer Art Vorschaltgerät 20 enthalten sein können. Dieses Vorschaltgerät 10 kann z.B. zwei Anschlüsse 6, 7 (z. B. in Form von Klemmen) haben, die es ermöglichen das Vorschaltgerät 20 elektrisch mit dem Solarelement 10.1 parallel zu schalten. In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Abgriff 4 beispielsweise parallel zu dem Solarelement 10.1 angeordnet. Er kann aber auch an einer anderen Stelle vorgesehen sein, die es erlaubt elektrische Leistung der Vorrichtung 100 zu entnehmen falls das Solarelement 10.1 mit Licht beschienen wird . summarized that they may be included in a kind of ballast 20. This ballast 10 may, for example, have two terminals 6, 7 (eg, in the form of terminals) that allow the ballast 20 to be electrically connected in parallel with the solar element 10.1. In the embodiment shown here, the tap 4 is arranged, for example, parallel to the solar element 10.1. However, it can also be provided at another location, which allows electrical power to be taken from the device 100 if the solar element 10.1 is illuminated with light.
[000173] Der Schalter (hier wiederum als MOSTFET Tl realisiert) ist durch ein Steuersignal SE(t) schaltbar, wie bereits erwähnt. Das Steuersignal SE(t) kann bei der Ausführungsform der Fig. 9, 10 und bei allen anderen Ausführungsformen extern zugeführt werden, oder es kann z. B. innerhalb des Vorschaltgeräts 20, und/oder mittels einer Steuerschaltung EK, und/oder durch das Solarelement 10.1 bereitgestellt werden. The switch (realized here again as MOSTFET T1) is switchable by a control signal SE (t), as already mentioned. The control signal SE (t) can be supplied externally in the embodiment of Figs. 9, 10 and in all other embodiments, or it may, for. B. within the ballast 20, and / or by means of a control circuit EK, and / or provided by the solar element 10.1.
[000174] Das Steuersignal SE(t) kann bei allen Ausführungsformen z.B. über eine Kommunikationsleitung oder über ein Kommunikationsnetzwerk bereitgestellt werden. So kann das Steuersignal Ss(t) z. B. von einer Zentrale (z.B. durch einen Netzbetreiber oder eine Netzagentur) aus an den Schalter 1 übergeben werden. The control signal SE (t) can be used in all embodiments e.g. be provided via a communication line or via a communication network. Thus, the control signal Ss (t) z. From a central office (e.g., by a network operator or network agency) to the switch 1.
[000175] Z. B. um die Vorrichtung 100 autark zu machen, kann das Steuersignal SE(t) bei allen Ausführungsformen innerhalb des Vorschaltgeräts 20, und/oder der Steuerschaltung EK, und/oder durch das Solarelement 10.1 bereitgestellt werden. For example, to make the device 100 self-sufficient, the control signal SE (t) may be provided in all embodiments within the ballast 20, and / or the control circuit EK, and / or by the solar element 10.1.
[000176] Wenn man nun das reale Solarelement 10.1 der verschiedenen If you now the real solar element 10.1 of the various
Ausführungsformen im Gesamtzusammenhang der Leistungsschaltung LK betrachtet, dann wird ersichtlich, dass die Leistungsschaltung LK ein elektrisches Schwingungssystem (vorzugsweise einen elektrischen Schwingkreis) bildet, das die Kapazitäten (z.B. Ca) der Solarzellen 3 (siehe Fig . 1B) und die Induktivität (z. B. L7) umfasst. Considering embodiments in the overall context of the power circuit LK, then it will be seen that the power circuit LK forms an electrical vibration system (preferably an electrical resonant circuit) having the capacitances (eg C a ) of the solar cells 3 (see FIG. 1B) and the inductance (e.g. B. L 7 ).
[000177] Um nun die Vorrichtung 100 der Erfindung schwingend zu betreiben, kann beispielsweise der Schalter 1 abwechselnd (periodisch oder In order to operate oscillating the device 100 of the invention, for example, the switch 1 can alternately (periodically or
quasiperiodisch) geöffnet und wieder geschlossen werden, was z. B. bei den entsprechenden Ausführungsformen durch das Anlegen eines geeigneten Steuersignals SE(t) mit geeigneter Schaltfrequenz erfolgen kann . Nun erfolgt, wie dies bei einem Schwingkreis üblich ist, das Aufladen und Entladen der quasiperiodisch) opened and closed again, which z. B. in the corresponding embodiments by the application of a suitable Control signal SE (t) can be done with a suitable switching frequency. Now, as is usual in a resonant circuit, the charging and discharging of the
Kapazität(en). D.h. es werden hier temporär Ladungsträger gespeichert. Und es kommt in dem Magnetfeld der Induktivität des Schwingkreises (z. B. L7) zur Energiespeicherung. Daraus ergibt sich das Eigenschwingungsverhalten des Schwingkreises. Als Ausgangssignal (z. B. s7(t)) kann bei allen Capacities). This means that temporary charge carriers are stored here. And it comes in the magnetic field of the inductance of the resonant circuit (eg L 7 ) for energy storage. This results in the natural vibration behavior of the resonant circuit. As an output signal (eg s 7 (t)) can be used at all
Ausführungsformen beispielweise hier ein Signal abgegriffen werden, das einen Gleichanteil und/oder einen Wechselanteil umfasst. Embodiments, for example, here a signal are tapped, which includes a DC component and / or an AC component.
[000178] Vorzugsweise wird dem Schwingkreis bei allen Ausführungsformen elektrische Leistung (z. B. am Abgriff 4) dann entzogen, wenn der Schalter 1 offen ist (d .h . während der Pulspausen des Steuersignals SE(t) der Fig . 8). Preferably, in all embodiments, the oscillator circuit is de-energized (eg, at tap 4) when switch 1 is open (i.e., during the pauses in the control signal SE (t) of FIG.
[000179] Da die Leistungsschaltung LK bei allen Ausführungsformen ein Since the power circuit LK in all embodiments a
Schwingungsverhalten zeigt, werden nicht nur die Photoelektronen zur Vibration behavior shows, not only the photoelectrons to
Stromerzeugung eingesetzt (wie dies bei Solarelementen 10.1 üblich ist), sondern es werden auch elektrische und mechanische Schwingungen nutzbar gemacht. Diese Schwingungen gehen beim konventionellen Gleichstrombetrieb von Solarelementen 10.1 in reine Verlustwärme über. Electricity generation used (as is common in solar elements 10.1), but it also electrical and mechanical vibrations are harnessed. These vibrations are in conventional DC operation of solar elements 10.1 in pure heat loss.
[000180] In Fig. 10 sind zusätzlich zu der Leistungsschaltung LK Details einer beispielhaften optionalen Steuerschaltung EK gezeigt. Diese Steuerschaltung EK kann, wie in Fig . 10 durch einen Schaltungsblock angedeutet, z.B. für die In Fig. 10, in addition to the power circuit LK, details of an exemplary optional control circuit EK are shown. This control circuit EK can, as shown in FIG. 10 indicated by a circuit block, e.g. for the
Bereitstellung des erforderlichen Steuersignals SE(t) ausgelegt sein. Zu diesem Zweck kann die Steuerschaltung EK bei allen Ausführungsformen z.B. einen Frequenzgenerator (G) umfassen, um so das Steuersignal SE(t) der Fig. 8 zu erzeugen. Provision of the required control signal SE (t) to be designed. For this purpose, the control circuit EK can be used in all embodiments, e.g. a frequency generator (G) so as to generate the control signal SE (t) of FIG. 8.
[000181] Eine solche Steuerschaltung EK kann auch im Zusammenhang mit allen anderen Ausführungsformen der Erfindung zum Einsatz kommen. Such a control circuit EK can also be used in connection with all other embodiments of the invention.
[000182] Um ein Eigenschwingverhalten der Vorrichtung 100 auszulösen und aufrecht zu erhalten, kann bei allen Ausführungsformen eine Vorrichtung zur inneren Erzeugung des Steuersignals SE(t) z. B. den Verlauf der In order to trigger a self-oscillating behavior of the device 100 and maintain, in all embodiments, a device for internal generation of the control signal SE (t) z. B. the course of
Ausgangsspannung (z. B. s2(t)) und/oder des Stromes I überwachen, um beim Erreichen bestimmter Vorgaben einen Schaltpuls des Schaltsignals SE(t) zu erzeugen oder auszulösen. Monitor the output voltage (eg s 2 (t)) and / or the current I at the To achieve certain specifications to generate or trigger a switching pulse of the switching signal SE (t).
[000183] In einer beispielhaften Ausführungsform wird zum Bereitstellen des Steuersignals SE(t) die zeitliche Veränderung der Ausgangsspannung (z.B. In an exemplary embodiment, to provide the control signal SE (t), the time variation of the output voltage (e.g.
5s2(t)/5t) und/oder des Stromes (z. B. 5I(t)/5t) ausgewertet. Das kann zum Beispiel durch eine separate oder integrierte Schaltung erreicht werden. 5s 2 (t) / 5t) and / or the current (eg 5I (t) / 5t). This can be achieved, for example, by a separate or integrated circuit.
[000184] Die nicht-lineare Antwort Si(t), s2(t) oder S3(t) (auch Ausgangssignal genannt) des Schwingkreises der Vorrichtung 100 kann zum Beispiel an dem Widerstand Ri, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, oder an dem Widerstand R2, wie in Fig . 2 und 3 schematisch angedeutet, oder an der Impedanz Z3, wie in Fig . 4 schematisch angedeutet, abgegriffen werden. The non-linear response Si (t), s 2 (t) or S3 (t) (also called output signal) of the resonant circuit of the device 100, for example, at the resistor Ri, as indicated schematically in Fig. 1, or on the resistor R 2 , as shown in FIG. 2 and 3 indicated schematically, or at the impedance Z3, as shown in FIG. 4 schematically indicated, are tapped.
[000185] Der Abgriff eines Ausgangssignals oder einer Ausgangsgrösse kann bei allen Ausführungsformen der Erfindung auch an einer anderen Stelle der The tap of an output signal or an output variable can in all embodiments of the invention in another place of the
Vorrichtung 100 erfolgen. Device 100 done.
[000186] Vorzugsweise wird ein Ausgangssignal oder eine Ausgangsgrösse an der Vorrichtung 100 so abgegriffen, dass das Schwingungsverhalten des Preferably, an output signal or an output variable at the device 100 is tapped so that the vibration behavior of the
Schwingkreises nicht oder nur unwesentlich gestört wird . Zum Zwecke des Abgreifens wird vorzugsweise bei allen Ausführungsformen ein Abgriff 4 Oscillating circuit is not or only slightly disturbed. For the purpose of tapping, a tap 4 is preferably used in all embodiments
vorgesehen, der auf die Gesamtschaltung ausgerichtet (angepasst) ist. provided, which is aligned to the overall circuit (adapted).
[000187] Es ist hier anzumerken, dass der Abgriff 4 (bzw. die Abgriffstellen) bei allen Ausführungsformen auch an einer anderen Stelle der Vorrichtung 100 erfolgen kann. Es kommt dabei darauf an, ob man Strom oder Spannung in Gleich- oder Wechselform auskoppeln möchte und inwieweit das Auskoppeln von elektrischer Leistung das Schwingverhalten des Schwingungssystems It should be noted here that the tap 4 (or the tapping points) in all embodiments can also be done at a different location of the device 100. It depends on whether you want to decouple current or voltage in DC or AC form and to what extent the decoupling of electrical power, the vibration behavior of the vibration system
beeinträchtigt. impaired.
[000188] Der Wechselsignalgenerator G, falls vorhanden, erzeugt bei allen Ausführungsformen der Erfindung eine Fremdanregung des Schwingungssystems der Vorrichtung 100. The alternating signal generator G, if present, generates in all embodiments of the invention, an external excitation of the vibration system of the device 100th
[000189] Der Wechselsignalgenerator G, falls vorhanden, ist vorzugsweise bei allen Ausführungsformen der Erfindung als eine Stromquelle ausgelegt, um das Schwingungssystem der Vorrichtung 100 nicht zu belasten. In den Figuren 2 und 3 ist daher ein Vorwiderstand Rv gezeigt, um einen Generator G von dem The AC signal generator G, if present, is preferably designed as a current source in all embodiments of the invention in order to provide the Vibration system of the device 100 not to burden. In FIGS. 2 and 3, therefore, a series resistor Rv is shown to be a generator G of the
Schwingkreis zu entkoppeln. Der Einsatz eines solchen Vorwiderstands Rv ist optional. Daher ist der Vorwiderstand Rv in den Figuren strichliert dargestellt. Decouple oscillating circuit. The use of such a series resistor Rv is optional. Therefore, the series resistor Rv is shown in dashed lines in the figures.
[000190] Je nach Ausführungsform der Erfindung kann das nicht-lineare [000190] Depending on the embodiment of the invention, the non-linear
Schaltungselement 10 z.B. eine nicht-lineare Kapazität und/oder eine nichtlineare Induktivität aufweisen. Dadurch wird in den Schwingkreis der Vorrichtung 100 ein nicht-linearer Term eingeführt. Circuit element 10 e.g. have a non-linear capacitance and / or a nonlinear inductance. As a result, a non-linear term is introduced into the resonant circuit of the device 100.
[000191] Falls das nicht-lineare Schaltungselement 10 z.B. eine Kapazität aufweist, so braucht es für das Funktionieren der Vorrichtung 100 nicht zwingend eine weitere Kapazität im Schwingungssystem. Falls das nicht-lineare If the non-linear circuit element 10 is e.g. has a capacity, so it does not necessarily need for the functioning of the device 100, a further capacity in the vibration system. If that's not linear
Schaltungselement 10 z.B. eine Induktivität aufweist, so braucht es für das Funktionieren der Vorrichtung 100 nicht zwingend eine weitere Induktivität im Schwingungssystem. Circuit element 10 e.g. has an inductance, it does not necessarily need for the functioning of the device 100, a further inductance in the vibration system.
[000192] Die Ersatzschaltbilder der Fig . 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, und 10 sind so zu verstehen, dass sämtliche Kapazitäten in eine Kapazität (z.B. Ci bzw. C2) zusammengelegt wurden. Dazu gehört auch eine etwaige Kapazität des nichtlinearen Schaltungselements 10 und der Leiterbahnen oder der Kabel des [000192] The equivalent circuit diagrams of FIG. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, and 10 are to be understood as meaning that all capacities have been combined into one capacity (eg, Ci and C 2, respectively). This also includes a possible capacity of the non-linear circuit element 10 and the conductor tracks or the cable of the
Schwingkreises. Entsprechend sind auch sämtliche Induktivitäten in die eine Induktivität (z. B. Li bzw. L2) und sämtliche Widerstände in einen Widerstand (z. B. Ri bzw. R2) zusammengelegt worden. Resonant circuit. Correspondingly, all the inductances in the one inductance (eg Li or L 2 ) and all the resistances in a resistor (eg Ri or R 2 ) have been combined.
[000193] Die nicht-lineare Kapazität des nicht-linearen Schaltungselements 10 kann sich zum Beispiel durch Ladungsfronten ergeben, die sich im Material des Schaltungselements 10 ausgebildet haben (z. B. während der Produktion) oder ausbilden (z.B. beim Initialisieren oder im Betrieb des Schwingkreises). So können sich, wie z.B. bei einer Halbleiterdiode, positive und negative Ladungen gegenüberstehen. The non-linear capacitance of the non-linear circuit element 10 may result, for example, from charge fronts formed in the material of the circuit element 10 (eg, during production) or forming (eg, during initialization or operation of the circuit) resonant circuit). Thus, such as in a semiconductor diode, positive and negative charges face.
[000194] Um eine Vorrichtung 100 der Erfindung dauerhaft betreiben zu können, wird vorzugsweise ein Abgleich des Steuersignals (das hier z.B. an den Punkten 1.1, 1.2 angelegt wird) mit der Charakteristik des Schwingkreises, der das nichtlineare Element 10 umfasst, vorgenommen. Dazu können zum Beispiel Kennlinien oder Kennfelder ermittelt und aus diesen geeignete Arbeitspunkte oder Arbeitsbereiche abgeleitet werden. Anschliessend kann die Vorrichtung 100 dann durch das Vorgeben entsprechender eingangsseitiger Steuersignale oder Grössen in dem Arbeitspunkt oder Arbeitsbereich betrieben werden. In order to operate a device 100 of the invention permanently, an adjustment of the control signal (which is applied here, for example, at points 1.1, 1.2) with the characteristic of the resonant circuit comprising the non-linear element 10 is preferably made. This can for example Characteristics or maps determined and derived from these suitable operating points or work areas. Subsequently, the device 100 can then be operated by predetermining corresponding input-side control signals or variables in the operating point or work area.
[000195] Vorzugsweise werden zu diesem Zweck die Spannung, die Frequenz und/oder die Signalform des Generators G, falls vorhanden, entsprechend vorgegeben. [000195] For this purpose, the voltage, the frequency and / or the signal form of the generator G, if present, are preferably specified accordingly.
[000196] Das nicht-lineare Verhalten des nicht-linearen Schaltungselements 10 entsteht vorzugsweise bei allen Ausführungsformen aufgrund einer Überlagerung oder des Zusammenwirkens einer inhärenten nicht-linearen Materialeigenschaft des nicht-linearen Schaltungselements 10 als solches mit dem externen The non-linear behavior of the non-linear circuit element 10 preferably results in all embodiments due to an overlay or interaction of an inherent non-linear material property of the non-linear circuit element 10 as such with the external one
Strahlungsfeld EF (z. B. in Form von Licht). Radiation field EF (eg in the form of light).
[000197] Soweit nichts anders angegeben ist, können sämtliche Merkmale der vorliegenden Erfindung frei miteinander kombiniert werden. Auch die in der Figurenbeschreibung beschriebenen Merkmale können, soweit nichts anderes angegeben ist, als Merkmale der Erfindung frei mit den übrigen, auch in den Ansprüchen angegebenen, Merkmalen kombiniert werden. Dabei können gegenständliche Merkmale der Vorrichtung auch im Rahmen des Verfahrens umformuliert zu Verfahrensmerkmalen Verwendung finden und Unless otherwise indicated, all features of the present invention may be freely combined. The features described in the figure description, as far as nothing else is stated, as features of the invention are freely combined with the other, also specified in the features. In this case, representational features of the device can also be rewritten in the context of the method to process features use and
Verfahrensmerkmale im Rahmen der Vorrichtung umformuliert zu Process features reformulated in the context of the device too
Vorrichtungsmerkmalen. Device features.
Bezugszeichen schaltbares Element 1Reference symbol switchable element 1
Anschlüsse / Punkte 1.1, 1.2Connections / Points 1.1, 1.2
Rückkopplung 2Feedback 2
Solarzelle 3Solar cell 3
Abgriff 4Tap 4
Erregerleitung 5Exciter line 5
Anschlüsse 6, 7Connections 6, 7
Energieversorgung 8 nicht-lineares Schaltungselement 10Power supply 8 non-linear circuit element 10
Solarelement als nicht-lineares 10.1 Schaltungselement Solar element as non-linear 10.1 circuit element
Vorschaltgerät ballast
Anordnung arrangement
Vorrichtung contraption
Kapazität CCapacity C
Kapazität CaCapacity Ca
Kapazität Cb Capacity C b
Kapazität CnlCapacity Cnl
Kapazität CiCapacity Ci
Kapazität C2 Capacity C 2
Kapazität C5 Capacity C 5
Kapazität C6 Capacity C 6
Diode DaDiode Da
Diode DiDiode Di
Diode DlDiode Dl
Tastverhältnis Δ zeitliche Veränderung der 5s2(t)/5tDuty cycle Δ temporal change of 5s 2 (t) / 5t
Ausgangsspannung output voltage
zeitliche Veränderung des Stromes 5I(t)/5t externes Strahlungsfeld EFtemporal change of the current 5I (t) / 5t external radiation field EF
Frequenz fFrequency f
Wechselsignalquelle/ Generator GAlternating signal source / generator G
Strom IElectricity I
Strom i(t)Current i (t)
Sättigungsstrom IsSaturation current Is
Photostrom IphPhotocurrent Iph
Induktivität LInductance L
Induktivität LD Inductance L D
Induktivität LnlInductance Lnl
Induktivität LiInductance Li
Induktivität L2 Inductance L 2
Induktivität L3 Inductance L 3
Induktivität LsInductance Ls
Induktivität L6 Induktivität L7 Inductance L 6 Inductance L 7
Last LALast LA
Leistungsschaltung LKPower circuit LK
Seite der n-dotierten Schicht des nSide of the n-doped layer of the n
Solarelements solar element
Seite der p-dotierten Schicht des P Side of the p-doped layer of P
Solarelements solar element
Ladungsträgerdichte q Carrier density q
Widerstand RResistance R
Widerstand RnlResistance Rnl
Widerstand RiResistance Ri
Widerstand R2 Resistor R 2
Widerstand R5 Resistor R 5
Widerstand ReResistance Re
Parallelwiderstand RSHParallel resistor RSH
Serienwiderstand RSESeries resistance RSE
Vorwiderstand RvResistor Rv
Schaltsignal sE(t)Switching signal s E (t)
Ausgangsspannung sl(t) s7(t)Output voltage sl (t) s7 (t)
Zeit tTime t
Transistor / Schaltelement TlTransistor / switching element Tl
Transformator TRTransformer TR
Spannung UVoltage U
Amplitude UE komplexwertige Impedanz zAmplitude U E complex-valued impedance z
Impedanz z3 Impedance z 3

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (100) mit einem Schwingkreis, der mittels einer 1. Device (100) with a resonant circuit by means of a
Wechselsignalquelle (G) anregbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass  Alternating signal source (G) can be excited, characterized in that
- der Schwingkreis ein nicht-lineares Schaltungselement (10; 10.1) umfasst, the resonant circuit comprises a non-linear circuit element (10, 10.1),
- die Vorrichtung (100) so auslegt ist, dass das nicht-lineare - The device (100) is designed so that the non-linear
Schaltungselement (10; 10.1) in einem nicht-linearen Arbeitsbereich und mit einer Frequenz oberhalb einer Grenzfrequenz betreibbar ist.  Circuit element (10; 10.1) is operable in a non-linear operating range and with a frequency above a cutoff frequency.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis im elektrischen Ersatzschaltbild mindestens eine 2. Device (100) according to claim 1, characterized in that the resonant circuit in the electrical equivalent circuit diagram at least one
komplexwertige Impedanz (Z) umfasst.  complex-valued impedance (Z).
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexwertige Impedanz (Z) oder mindestens eine Induktivität oder eine Kapazität der Impedanz (Z) Teil des nicht-linearen Schaltungselements ist, oder dass die Impedanz (Z) durch andere Elemente, Baugruppen oder Bereiche der Vorrichtung (100) realisiert ist. Device (100) according to claim 2, characterized in that the complex-valued impedance (Z) or at least one inductance or capacitance of the impedance (Z) is part of the non-linear circuit element, or in that the impedance (Z) is provided by other elements , Assemblies or areas of the device (100) is realized.
4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis eingangsseitig so durch die Wechselsignalquelle (G) anregbar ist, dass das nicht-lineare Schaltungselement (10; 10.1) in einem zuvor ermittelten nicht-linearen Arbeitsbereich betreibbar ist. 4. Device (100) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the resonant circuit on the input side so by the AC signal source (G) can be excited, that the non-linear circuit element (10; 10.1) in a previously determined non-linear working area is operable.
5. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexwertige Impedanz (Z) mindestens ein Kapazität (Ci, C2, Cb) und/oder eine Induktivität (Li, L2, L3) umfasst. 5. Device (100) according to claim 2 or 3, characterized in that the complex-valued impedance (Z) comprises at least one capacitance (Ci, C 2 , Cb) and / or an inductance (Li, L 2 , L 3 ).
6. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch 6. Device (100) according to one of claims 1 to 5, characterized
gekennzeichnet, dass das nicht-lineare Schaltungselement (10; 10.1) ein Material umfasst, das eine oder mehrere Raumladungszonen umfasst, welche im Betrieb mit einer wechselnden Spannung oder einem wechselnden Strom beeinflussbar sind.  characterized in that the non-linear circuit element (10; 10.1) comprises a material comprising one or more space charge zones which are operable to be influenced by an alternating voltage or current.
7. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-lineare Schaltungselement (10; 10.1) eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst: - Halbleitermaterial, 7. Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the non-linear circuit element (10; 10.1) comprises one or more of the following materials: - semiconductor material,
- Photo-elektro-chemisch aktives Material.  - Photo-electro-chemically active material.
8. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-lineare Schaltungselement (10; 8. Device (100) according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the non-linear circuit element (10;
10.1) einen inneren Aufbau aufweist, der zwei unterschiedliche 10.1) has an internal structure, the two different
Materialbereiche oder Materialschichten und einen Materialübergang zwischen diesen beiden unterschiedlichen Materialbereichen oder -schichten umfasst. Material areas or layers of material and a material transition between these two different material areas or layers comprises.
9. Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden unterschiedlichen Materialbereiche je andersartig dotierte 9. Device (100) according to claim 8, characterized in that the two different material regions each doped differently
Halbleitermaterialien umfassen. Semiconductor materials include.
10. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem nicht-linearen Schaltungselement um ein Solarelement (10; 10.1) handelt. A device (100) according to claim 1, characterized in that the non-linear circuit element is a solar element (10; 10.1).
11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis als Eigenschwinger ausgelegt ist. 11. Device (100) according to claim 1 or 10, characterized in that the resonant circuit is designed as a natural oscillator.
12. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ( 100) eine Selbstläuferstruktur darstellt, die mittels periodischen oder quasi-periodischen Schaltsignalen anregbar ist. 12. Device (100) according to claim 1 or 10, characterized in that the device (100) represents a self-rotor structure which can be excited by means of periodic or quasi-periodic switching signals.
13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-lineare Schaltungselement (10; 10.1) so ausgelegt ist, dass es durch ein berührungslos angelegtes oder eingekoppeltes externes 13. Device (100) according to claim 1 or 10, characterized in that the non-linear circuit element (10; 10.1) is designed so that it by a non-contact applied or coupled external
Strahlungsfeld (EF) beeinflussbar ist. Radiation field (EF) can be influenced.
14. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht-lineares Verhalten des nicht-linearen Schaltungselements (10; 10.1) aufgrund einer Überlagerung oder des Zusammenwirkens einer inhärenten nicht-linearen Materialeigenschaft des nicht-linearen A device (100) according to claim 1 or 10, characterized in that a non-linear behavior of the non-linear circuit element (10; 10.1) due to an overlay or interaction of an inherent non-linear material property of the non-linear
Schaltungselements ( 10; 10.1) als solches mit einem Strahlungsfeld (EF) entsteht, das als externes Strahlungsfeld (EF) an das nicht-lineare As such, with a radiation field (EF), the external radiation field (EF) is applied to the nonlinear circuit element (10; 10.1)
Schaltungselement (10; 10.1) anlegbar oder einkoppelbar ist. Circuit element (10, 10.1) can be applied or coupled.
15. Vorrichtung (100) mit einem elektrischen Schwingungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass 15. Device (100) with an electrical vibration system, characterized in that
- das Schwingungssystem ein Solarelement (10; 10.1) als nicht-lineares Schaltungselement und mindestens ein weiteres Bauelement umfasst und - The vibration system comprises a solar element (10, 10.1) as a non-linear circuit element and at least one further component and
- es dazu ausgelegt ist, das Solarelement (10; 10.1) permanent oder von Zeit zu Zeit in eine Schwingung mit einer Frequenz oberhalb einer unteren Grenzfrequenz zu versetzen, während das Solarelement (10; 10.1) einem externen Strahlungsfeld (EF) in Form von Licht ausgesetzt ist. it is designed to cause the solar element (10; 10.1) to oscillate permanently or from time to time at a frequency above a lower limit frequency, while the solar element (10; 10.1) forms an external radiation field (EF) in the form of light is exposed.
16. Verwendung einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-lineare 16. Use of a device (100) according to any one of the preceding claims 1 to 14, characterized in that the non-linear
Schaltungselement (10; 10.1) einem externen Strahlungsfeld (EF) ausgesetzt wird, wobei es sich bei dem externen Strahlungsfeld (EF) vorzugsweise um ein elektrisches oder magnetisches oder elektromagnetisches Feld handelt. Is exposed to an external radiation field (EF), wherein the external radiation field (EF) is preferably an electric or magnetic or electromagnetic field.
17. Verwendung einer Vorrichtung (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) dazu ausgelegt ist, elektrische Energie verfügbar zu machen oder bereit zu stellen. 17. Use of a device (100) according to claim 15, characterized in that the device (100) is adapted to make available or provide electrical energy.
18. Verwendung einer Vorrichtung (100) nach Anspruch 16 so, dass ein sich im Material des nicht-linearen Schaltungselements (10; 10.1) befindliches elektrisches Feld als Vektorfeld der elektrischen Feldstärke moduliert 18. Use of a device (100) according to claim 16, such that an electric field located in the material of the non-linear circuit element (10; 10.1) modulates the electric field strength as a vector field
wirdjHcvi], Durch das Betreiben des nicht-linearen Schaltungselements (10; 10.1) in dem Schwingkreis ergeben sich räumliche und/oder zeitliche By operating the non-linear circuit element (10, 10.1) in the resonant circuit, spatial and / or temporal results
Veränderungen des elektrisches Feldes im Material. Changes in the electric field in the material.
19. Verwendung einer Vorrichtung (100) nach Anspruch 17 oder 18 so, dass im Material des nicht-linearen Schaltungselements (10; 10.1) eine 19. Use of a device (100) according to claim 17 or 18 such that in the material of the non-linear circuit element (10;
ladungsarme (Zwischen-)Zone, die eine Zone mit Elektronenüberschuss von einer Zone mit Löcherüberschuss trennt, besteht oder sich ergibt.  low-charge (intermediate) zone that separates or surrenders an excess-energy zone from an excess-hole zone.
20. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (100) in einem künstlich erzeugten oder natürlich vorkommenden Strahlungsfeld (EF), die ein 20. A method for operating a device (100) in an artificially generated or naturally occurring radiation field (EF), the
Schwingungssystem umfasst, das mittels einer Wechselsignalquelle (G) oder eines Steuersignals (s(t)) anregbar ist, wobei das Schwingungssystem ein Solarelement (10; 10.1) als nicht-lineares Schaltungselement aufweist, mit den Schritten : Vibration system which is excitable by means of an alternating signal source (G) or a control signal (s (t)), wherein the vibration system a Solar element (10, 10.1) as a non-linear circuit element, comprising the steps:
- Einbringen des Solarelements (10; 10.1) in das Strahlungsfeld (EF) oder Aussetzen des Solarelements (10; 10.1) dem Strahlungsfeld (EF),  - introducing the solar element (10, 10.1) into the radiation field (EF) or exposing the solar element (10, 10.1) to the radiation field (EF),
- Anregen eines Schwingverhaltens des Schwingungssystems samt des  - Stimulating a vibration behavior of the vibration system together with the
Solarelements (10; 10.1) mittels der Wechselsignalquelle (G) oder des Steuersignals (s(t)), wobei das Solarelement (10; 10.1) in einem nichtlinearen Arbeitsbereich und mit einer Frequenz oberhalb einer unteren Grundfrequenz betrieben wird,  Solar element (10; 10.1) by means of the alternating signal source (G) or the control signal (s (t)), wherein the solar element (10; 10.1) is operated in a non-linear operating range and at a frequency above a lower fundamental frequency,
- Verfügbarmachen eines Wechselstromsignals und/oder eines  - Making available an AC signal and / or a
Gleichstromsignals an mindestens einem Abgriff (4) der Vorrichtung (100).  DC signal on at least one tap (4) of the device (100).
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Strahlungsfeld (EF) um Licht handelt. 21. Method according to claim 20, characterized in that the radiation field (EF) is light.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz, mit der das Schwingungssystem betrieben wird, im Bereich zwischen 5 kHz und 10MHz liegt. 22. The method according to claim 20 or 21, characterized in that the frequency with which the vibration system is operated, in the range between 5 kHz and 10 MHz.
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