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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie sowie einen Ener gieerzeuger mit einer derartigen Vorrichtung.

Energy Harvesting bezeichnet die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Quellen in der Umgebung eines mobilen elektrischen Gerätes, wie beispielsweise aus Vibratio- nen oder Bewegungen. Entsprechende Energiegewinner (Energy Harvester), wie beispielsweise piezoelektrische Generatoren oder elektromagnetische Energiegewinner, stellen eine geringe Spannung wechselnder Polarität (AC-Spannung) bereit, aus der möglichst effizient elektrische Energie zu gewinnen und nutzbar zu machen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach und kompakt aufgebaute Vorrichtung zu schaffen, die in effizienter und zuverlässiger Weise die Gewinnung elektrischer Energie ermög- licht. Die Vorrichtung soll insbesondere eine effiziente Gewinnung elektrischer Energie aus ei- ner äußerst niedrigen Spannung im Millivolt-Bereich ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Gleichrichter weist eine erste Ladeschaltung zur Energiegewinnung aus einer an den Eingangs anschlüssen anliegenden positiven Spannung des Energiegewinners und eine zweite Ladeschal tung zur Energiegewinnung aus einer an den Eingangsanschlüssen anliegenden negativen Span nung des Energiegewinners auf, die eine gemeinsame Spule und einen gemeinsamen elektroni schen Schalter aufweisen. Bei Anliegen der positiven Spannung ist der elektronische Schalter in einem ersten Schaltzustand geschlossen, so dass die Spule aufgrund der anliegenden positiven Spannung und des durch die Spule fließenden Stroms Energie speichert. Das erste Sperrelement verhindert in dem ersten Schaltzustand, dass der erste Kondensator geladen wird. Das erste Sper relement ist insbesondere als Diode ausgebildet. In einem darauffolgenden zweiten Schaltzu- stand ist der elektronische Schalter geöffnet, so dass mittels der in der Spule gespeicherten Ener gie der erste Kondensator geladen wird. Das erste Sperrelement lässt in dem zweiten Schaltzu- stand den Fluss eines Ladestroms von der Spule zu dem ersten Kondensator zu. Bei Anliegen der negativen Spannung ist der elektronische Schalter in einem ersten Schaltzustand geschlossen, so dass die Spule aufgrund der anliegenden negativen Spannung und des durch die Spule fließenden Stroms Energie speichert. Das zweite Sperrelement verhindert in dem ersten Schaltzustand, dass der zweite Kondensator geladen wird. Das zweite Sperrelement ist insbesondere als Diode aus- gebildet. In einem darauffolgenden zweiten Schaltzustand ist der elektronische Schalter geöffnet, so dass mittels der in der Spule gespeicherten Energie der zweite Kondensator geladen wird. Das zweite Sperrelement lässt in dem zweiten Schaltzustand den Fluss eines Ladestroms von der Spule zu dem zweiten Kondensator zu.

Dadurch, dass der Gleichrichter nur eine einzige Spule aufweist, die bei Anliegen einer positiven Spannung und bei Anliegen einer negativen Spannung von den Ladeschaltungen gemeinsam ge nutzt wird, ist der Gleichrichter einfach und kompakt aufgebaut. Die Kosten der Vorrichtung hängen wesentlich von dem magnetischen Volumen ab, das von der gemeinsamen Spule defi- niert ist. Dadurch, dass der Gleichrichter genau eine Spule aufweist, ist das magnetische Volu- men auf das Volumen der einzigen Spule begrenzt, so dass die Kosten der Vorrichtung ver gleichsweise gering sind. Darüber hinaus wird die anliegende alternierende Spannung (AC- Spannung) in einem einzigen Schritt in eine Spannung gleicher Polarität bzw. in eine Gleich spannung (DC-Spannung) gewandelt, so dass die Gewinnung elektrischer Energie effizient und zuverlässig erfolgt. Die Eingangsanschlüsse sind nicht unmittelbar mit einer Diode des Gleich richters verbunden, so dass in einfacher und effizienter Weise auch eine von dem Energiegewin ner bereitgestellte äußerst niedrige Spannung gleichgerichtet und nutzbar gemacht werden kann. Der Gleichrichter ist insbesondere als Tief-Hochsetzsteller ausgebildet (Buck-Boost-Converter).

Der elektronische Schalter wird von den Ladeschaltungen gemeinsam und in entsprechender Weise genutzt. Der elektronische Schalter weist mindestens ein elektronisches Schaltelement auf. Das mindestens eine elektronische Schaltelement ist insbesondere als MOSFET ausgebildet, vorzugsweise als selbstsperrender n-Kanal-MOSFET. Der erste Schaltzustand und der nachfol gende zweite Schaltzustand erstrecken sich zeitlich über eine Periodendauer Ts. Für die Perio dendauer Ts gilt: Ts = l/fs, wobei fs eine Schaltfrequenz der Steuereinrichtung bezeichnet. Der jeweilige erste Schaltzustand hat eine Zeitdauer D · Ts und der jeweils zugehörige zweite Schalt zustand eine Zeitdauer (1 - D) · Ts, wobei D einen Tastgrad bzw. Ansteuergrad (Duty cycle) be- zeichnet.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 2 gewährleistet einen einfachen und kompakten Aufbau und eine effiziente Energiegewinnung. Die Reihenschaltung aus der Spule und dem elektronischen Schalter ist mit den Eingangsanschlüssen verbunden. Ist der elektronische Schalter geschlossen, so bildet die Reihenschaltung aus der Spule und dem elektronischen Schalter zusammen mit ei- nem an den Eingangsanschlüssen angeschlossenen Energiegewinner eine Masche aus. Hierdurch fließt aufgrund der an den Eingangsanschlüssen anliegenden Spannung ein Strom durch die Spule, so dass mittels der Spule Energie gespeichert wird. In dem nachfolgenden zweiten Schalt zustand ist der elektronische Schalter geöffnet, so dass aufgrund der Reihenschaltung die Verbin dung der Spule zu einem der Eingangsanschlüsse getrennt und die Masche somit unterbrochen ist. Hierdurch wird in dem zweiten Schaltzustand ein Laden des ersten Kondensators bzw. des zweiten Kondensators ermöglicht. Vorzugsweise ist die Spule mit dem ersten Eingangsanschluss und dem elektronischen Schalter verbunden und der elektronische Schalter mit dem zweiten Ein gangsanschluss verbunden.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 3 gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit und Effizienz.

Dadurch, dass zwei elektronische Schaltelemente in Reihe geschaltet sind, werden parasitäre Ströme und hierdurch verursachte Verluste vermieden. Die zwei elektronischen Schaltelemente weisen insbesondere eine Back-to-Back- Anordnung auf. Hierdurch werden Verluste und eine Fehlfünktion in Folge von parasitären Strömen vermieden. Parasitäre Ströme werden insbeson dere durch Inversdioden (Body-Dioden) verursacht. Aufgrund der Back-to-Back- Anordnung weisen die Inversdioden unterschiedliche Sperrrichtungen auf. Die elektronischen Schaltele mente sind ausgewählt aus der Gruppe Feldeffekttransistor (n-Kanal oder p-Kanal) und Bipolar transistor (MPM oder PMP). Die elektronischen Schaltelemente sind vorzugsweise als MOS- FETs ausgebildet, insbesondere als n-Kanal-MOSFETs.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 4 gewährleistet einen einfachen Aufbau und eine hohe Zuver lässigkeit. Der elektronische Schalter weist mindestens ein elektronisches Schaltelement mit ei- ner zugehörigen parasitären Inversdiode auf. Die parasitäre Inversdiode wird bei der Inbetrieb- nahme des Gleichrichters dazu genutzt, die Steuereinrichtung mit elektrischer Energie zu versor gen. Eine Versorgungsschaltung der Steuereinrichtung ist hierzu an den Gleichrichter ange- schlossen, so dass die Spule, einer der Kondensatoren, die Versorgungsschaltung und die parasi- täre Inversdiode zusammen mit dem an den Eingangsanschlüssen angeschlossenen Energiege- winner eine Masche ausbilden. Über diese Masche, also über die parasitäre Inversdiode, wird die Versorgungsschaltung mittels der an den Eingangsanschlüssen anliegenden Spannung und/oder der Spannung eines galvanischen Energiespeichers geladen, so dass zur Erzeugung der Steuer signale eine Versorgungsspannung durch die Versorgungsschaltung bereitgestellt wird. Die Ver sorgungsschaltung ist insbesondere mit einem der Ausgangsanschlüsse und einem Anschluss des elektronischen Schaltelements verbunden. Vorzugsweise ist die Versorgungsschaltung mit dem zweiten Ausgangsanschluss und einem Source- Anschluss des als MOSFET ausgebildeten elekt ronischen Schaltelements verbunden. Ein Drain- Anschluss des elektronischen Schaltelements ist vorzugsweise mit dem zweiten Eingangsanschluss verbunden.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 5 gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Effizi enz. Die elektronischen Schaltelemente sind in Reihe geschaltet und weisen eine Back-to-Back- Anordnung auf, so dass die parasitären Inversdioden entgegengesetzte Sperrrichtungen haben. Durch die Anordnung der Schaltelemente ist somit gewährleistet, dass sowohl bei einer anliegen den negativen Spannung als auch bei einer anliegenden positiven Spannung mindestens eine der Inversdioden sperrt. Parasitäre Ströme und hierdurch verursachte Verluste werden somit vermie den. Vorzugsweise bildet die Verbindung zwischen den in Reihe geschalteten elektronischen Schaltelementen ein Referenzpotenzial (Ground) der Steuereinrichtung aus, so dass die elektro nischen Schaltelemente aufgrund des definierten Referenzpotenzials einfach ansteuerbar sind.

Die elektronischen Schaltelemente sind vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet, die mit den Source- Anschlüssen verbunden und auf diese Weise in Reihe geschaltet sind. Die Source- An schlüsse sind vorzugsweise mit einer Versorgungsschaltung der Steuereinrichtung verbunden, wobei der hierdurch ausgebildete Knoten einen Referenzknoten bildet und an das Referenzpoten zial (Ground) angeschlossen ist. Die Reihenschaltung der elektronischen Schaltelemente ist ins besondere mit der Spule und dem zweiten Eingangsanschluss verbunden. Die Inversdiode des an den zweiten Eingangsanschluss angeschlossenen elektronischen Schaltelements hat insbesondere eine Durchlassrichtung, die zu dem zweiten Eingangsanschluss gerichtet ist. Eine Vorrichtung nach Anspruch 6 gewährleistet einen einfachen und kompakten Aufbau und eine effiziente Energiegewinnung. Bei Anliegen einer positiven Spannung an den Eingangsan schlüssen bilden die Spule, der erste Kondensator und das erste Sperrelement in einem zweite Schaltzustand eine erste Masche aus, so dass die in einem ersten Schaltzustand in der Spule ge speicherte Energie von der Spule zu dem ersten Kondensator übertragen wird. Das erste Sper relement ermöglicht in dem zweiten Schaltzustand einen Stromfluss von der Spule zu dem ersten Kondensator.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 7 gewährleistet einen einfachen und kompakten Aufbau und eine effiziente Energiegewinnung. Bei Anliegen einer negativen Spannung an den Eingangsan schlüssen bilden die Spule, der zweite Kondensator und das zweite Sperrelement in einem zwei ten Schaltzustand eine zweite Masche aus, so dass die in einem ersten Schaltzustand in der Spule gespeicherte Energie von der Spule zu dem zweiten Kondensator übertragen wird. Das zweite Sperrelement ermöglicht in dem zweiten Schaltzustand einen Stromfluss von der Spule zu dem zweiten Kondensator.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 8 gewährleistet einen einfachen und kompakten Aufbau.

Dadurch, dass das erste Sperrelement und das zweite Sperrelement in Bezug auf die Spule unter schiedliche Durchlassrichtungen bzw. unterschiedliche Sperrrichtungen haben, ist der Gleich richter in einfacher Weise zwischen der ersten Ladeschaltung und der zweiten Ladeschaltung umschaltbar. Durch die Sperrelemente erfolgt bei geöffnetem elektronischen Schalter ein Strom fluss entweder über eine erste Masche, die die Spule, das erste Sperrelement und den ersten Kon densator umfasst, oder über eine zweite Masche, die die Spule, das zweite Sperrelement und den zweiten Kondensator umfasst. Die Sperrelemente sind vorzugsweise als Dioden ausgebildet. Das erste Sperrelement ist insbesondere mit dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Aus gangsanschluss verbunden und ermöglicht einen Stromfluss von der Spule zu dem ersten Kon densator. Das zweite Sperrelement ist insbesondere mit dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden und ermöglicht einen Stromfluss von der Spule zu dem zweiten Kondensator. Eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gewährleistet eine effiziente Energiegewinnung. Der erste Kondensator wird bei Anliegen einer positiven Spannung an den Eingangsanschlüssen und der zweite Kondensator bei Anliegen einer negativen Spannung an den Eingangsanschlüssen gela den, so dass an den Ausgangsanschlüssen eine vergleichsweise hohe Ausgangsspannung bereit gestellt wird, selbst wenn die an den Eingangsanschlüssen anliegende Spannung äußerst gering ist.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 10 gewährleistet einen einfachen und kompakten Aufbau. Der Energiegewinner wird an die Eingangsanschlüsse angeschlossen und stellt an diesen eine Span nung bzw. Eingangsspannung bereit. An den Ausgangsanschlüssen wird die Ausgangsspannung bereitgestellt, mit der ein Verbraucher bzw. eine Last betreibbar ist. Der zentrale Ladeschal tungsknoten, an dem die genau eine bzw. die einzige Spule, der elektronische Schalter und die Kondensatoren angeschlossen sind, ermöglicht in einfacher Weise in einem ersten Schaltzustand das Speichern von elektrischer Energie in der Spule und in einem darauffolgenden zweiten Schaltzustand das Laden einer der Kondensatoren mit der in der Spule gespeicherten elektri schen Energie. Das Umschalten zwischen den Schaltzuständen erfolgt mittels des elektronischen Schalters. Die Auswahl zwischen der ersten Ladeschaltung bei Anliegen einer positiven Span nung und der zweiten Ladeschaltung bei Anliegen einer negativen Spannung erfolgt mittels der Sperrelemente. Die Auswahl erfolgt insbesondere automatisch bei einer Ausbildung der Sper relemente als Dioden.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 11 gewährleistet eine effiziente und zuverlässige Energiege winnung. Der galvanische Energiespeicher wird mittels der Kondensatoren geladen und spei chert die gewonnene elektrische Energie. Mittels des galvanischen Energiespeichers stellt die Vorrichtung somit an den Ausgangsanschlüssen eine Ausgangsspannung bereit, auch wenn die Kondensatoren nicht geladen sind. Zudem wird mittels des galvanischen Energiespeichers die Ausgangsspannung stabilisiert. Der galvanische Energiespeicher ist vorzugsweise mit den Aus gangsanschlüssen verbunden. Dadurch, dass von einem Verbraucher bzw. einer Last nicht benö tigte elektrische Energie in dem galvanischen Energiespeicher gespeichert bzw. zwischengespei chert wird, wird die gewonnene Energie in einfacher und effizienter Weise genutzt. Eine Vorrichtung nach Anspruch 12 gewährleistet eine zuverlässige Energiegewinnung.

Dadurch, dass an den Ausgangsanschlüssen ein Spannungsregler angeschlossen ist, wird einem Verbraucher bzw. einer Last eine vergleichsweise konstante Spannung bereitgestellt. Der Span nungsregler ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn an den Ausgangsanschlüssen kein galvani scher Energiespeicher angeschlossen ist. Da die Ausgangsspannung an den Ausgangsanschlüs sen aufgrund des sich verändernden Ladezustands der Kondensatoren schwankt, ist der Span nungsregler zur Stabilisierung der Ausgangsspannung vorteilhaft. Der Spannungsregler umfasst insbesondere einen Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler), dessen ausgangsseitige Span nung geregelt wird. Hierzu ist der Gleichspannungswandler Teil eines Spannungsregelkreises, der die ausgangsseitige Spannung mit einer Soll-Spannung vergleicht und eine Spannungsabwei chung zwischen der Soll-Spannung und der ausgangsseitigen Spannung einem Regler zuführt, der den Gleichspannungswandler zur Ausregelung der Spannungsabweichung ansteuert. Der Regler ist beispielsweise als PID-Regler ausgebildet.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 13 gewährleistet eine zuverlässige und effiziente Energiege winnung. Mittels der Versorgungsschaltung wird der Steuerschaltung in zuverlässiger Weise eine Versorgungsspannung bereitgestellt. Die Versorgungsschaltung ist insbesondere derart aus gestaltet, dass die Versorgungsspannung möglichst konstant ist. Die Versorgungsschaltung ist vorzugsweise an einen der Ausgangsanschlüsse angeschlossen und mit dem elektronischen Schalter verbunden. Die Versorgungsschaltung ist insbesondere an den zweiten Ausgangsan schluss angeschlossen und mit einer Verbindung von zwei elektronischen Schaltelementen des elektronischen Schalters verbunden. Der hierdurch ausgebildete Knoten dient als Referenzknoten und stellt für die Steuerschaltung ein Referenzpotenzial bereit. Die Versorgungsspannung dient als Eingangsspannung für die Steuerschaltung. Die Steuerschaltung ist derart ausgebildet, dass ein sogenanntes Maximum-Power-Point-Tracking (MPPT) erfolgt, so dass die Energiegewin nung optimiert bzw. maximiert wird. Hierzu passt die Steuerschaltung einen Tastgrad D derart an, dass eine Eingangsimpedanz an den Eingangsanschlüssen im Wesentlichen einem Innenwi derstand des Energiegewinners entspricht und die Eingangsimpedanz im Wesentlichen rein ohmsch wird, so dass die Spannung an den Eingangsanschlüssen und der zugehörige Strom im Wesentlichen in Phase sind. Eine Vorrichtung nach Anspruch 14 gewährleistet in einfacher Weise eine zuverlässige und effi- ziente Energiegewinnung. Die mindestens eine Ladungspumpe bildet eine Versorgungsschal tung, die zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für eine Steuerschaltung dient. Vorzugs- weise weist die Steuereinrichtung genau eine Ladungspumpe auf, wenn der Gleichrichter einen galvanischen Energiespeicher umfasst. Die Ladungspumpe ist insbesondere einstufig ausgebil- det. Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung genau zwei Ladungspumpen auf, wenn der Gleichrichter keinen galvanischen Energiespeicher umfasst. Die genau zwei Ladungspumpen sind insbesondere als Hilfs-Ladungspumpe und als Haupt-Ladungspumpe ausgebildet, wobei die Hilfs-Ladungspumpe zur Inbetriebnahme der Haupt-Ladungspumpe dient.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 15 gewährleistet einen einfachen Aufbau und eine zuverlässige und effiziente Energiegewinnung. Die Ladungspumpe ist insbesondere einstufig ausgebildet. Vorzugsweise weist die Ladungspumpe genau eine Diode und genau einen Kondensator auf. Vorzugsweise ist die Diode mit dem zweiten Ausgangsanschluss und dem Kondensator verbun den und der Kondensator mit einem Referenzknoten verbunden, der zwischen zwei elektroni schen Schaltelementen des elektronischen Schalters ausgebildet ist. Der Referenzknoten weist insbesondere ein Referenzpotenzial für eine Steuerschaltung auf. Die Diode ermöglicht einen Stromfluss von dem zweiten Ausgangsanschluss zu dem Referenzknoten. Die Ladungspumpe bildet insbesondere eine Haupt-Ladungspumpe, wenn der Gleichrichter keinen galvanischen Energiespeicher aufweist.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 16 gewährleistet einen einfachen Aufbau und eine zuverlässige und effiziente Energiegewinnung. Die Ladungspumpe, die Spule, einer der Kondensatoren und eine Inversdiode eines der elektronischen Schaltelemente bilden zusammen mit einem an die Eingangsanschlüsse angeschlossenen Energiegewinner eine Masche aus, die eine Inbetrieb nahme der Ladungspumpe ermöglicht, wenn an den Eingangsanschlüssen eine Spannung anliegt. Durch die Inbetriebnahme der Ladungspumpe wird eine Versorgungsspannung bereitgestellt, die ein Ansteuem des elektronischen Schalters bzw. der elektronischen Schaltelemente ermöglicht. Hierdurch kann die Vorrichtung in einfacher und zuverlässiger Weise in Betrieb genommen wer den. Vorzugsweise bildet der Knoten einen Referenzknoten, der für eine Steuerschaltung zur Er zeugung von Steuersignalen ein Referenzpotenzial aufweist. Vorzugsweise ist die Ladungs pumpe mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden und der elektronische Schalter mit der Spule und dem zweiten Eingangsanschluss verbunden. Weist der Gleichrichter keinen galvani schen Energiespeicher auf, bildet die Ladungspumpe eine Haupt-Ladungspumpe.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 17 gewährleistet einen einfachen Aufbau und eine zuverlässige und effiziente Energiegewinnung. Die Ladungspumpe ermöglicht eine zuverlässige Inbetrieb nahme der Steuereinrichtung und ein zuverlässiges Erzeugen von Steuersignalen für die Ansteu erung des elektronischen Schalters. Die Ladungspumpe bildet insbesondere eine Hilfs-Ladungs- pumpe, die die Inbetriebnahme einer Haupt-Ladungspumpe und das Bereitstellen einer Versor gungsspannung ermöglicht. Die Ladungspumpe ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Gleichrichter keinen galvanischen Energiespeicher aufweist.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 18 ermöglicht eine zuverlässige und effiziente Energiegewin nung. Die Hilfs-Ladungspumpe dient zur Inbetriebnahme der Haupt-Ladungspumpe, die eine Versorgungsspannung für die Ansteuerung des elektronischen Schalters bereitstellt. Die Hilfs- Ladungspumpe ist insbesondere als passive einstufige Villard-Ladungspumpe ausgebildet. Die Haupt-Ladungspumpe ist vorzugsweise einstufig ausgebildet und umfasst eine Reihenschaltung aus einer Diode und einem Kondensator. Die Hilfs-Ladungspumpe ist derart mit der Haupt-La- dungspumpe verbunden, dass mittels der Hilfs-Ladungspumpe der Kondensator der Haupt-La- dungspumpe geladen wird. Hierzu ist die Hilfs-Ladungspumpe insbesondere an einen ersten Knoten angeschlossen, der zwischen der Diode und dem Kondensator der Haupt-Ladungspumpe ausgebildet ist.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 19 gewährleistet einen einfachen Aufbau und eine zuverlässige und effiziente Energiegewinnung. Die Ladungspumpe ist als passive einstufige Villard-Ladungs pumpe ausgebildet. Die Ladungspumpe bildet insbesondere eine Hilfs-Ladungspumpe, die mit einer Haupt-Ladungspumpe verbunden ist. Hierzu ist die vierte Diode an die Verbindung zwi schen einer ersten Diode und einem dritten Kondensator, also an einen ersten Knoten, ange schlossen. Bei Anliegen einer negativen Spannung wird über die zweite Diode der vierte Kon densator geladen. Hierzu ermöglicht die zweite Diode einen Stromfluss von dem zweiten Ein gangsanschluss zu dem ersten Eingangsanschluss. Bei Anliegen einer positiven Spannung an den Eingangsanschlüssen wird der vierte Kondensator über die dritte Diode entladen und der fünfte Kondensator geladen. Hierzu ermöglicht die dritte Diode einen Stromfluss von dem zweiten Knoten zu dem dritten Knoten. Durch das Laden des fünften Kondensators ist die Spannung an dem dritten Knoten im Wesentlichen gleich der zweifachen maximalen Spannung an den Ein gangsanschlüssen. Über die vierte Diode wird der dritte Kondensator der Haupt-Ladungspumpe geladen, so dass der dritte Kondensator eine Versorgungsspannung bereitstellt. Hierzu ermög licht die vierte Diode einen Stromfluss von dem fünften Kondensator zu dem dritten Kondensa tor.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 20 gewährleistet einen einfachen Aufbau und eine zuverlässige Energiegewinnung. Der ohmsche Widerstand vereinfacht die Inbetriebnahme der Versorgungs schaltung und somit das Bereitstellen einer Versorgungsspannung für die Ansteuerung des elekt ronischen Schalters mittels der Steuerschaltung. Die Versorgungsschaltung ist an den zweiten Ausgangsanschluss angeschlossen, so dass bei der Inbetriebnahme der Versorgungsschaltung der zweite Kondensator geladen wird. Weist der Gleichrichter einen galvanischen Energiespeicher auf, so liegt die Spannung des galvanischen Energiespeichers hauptsächlich über dem ersten Kondensator an, wohingegen die Spannung über dem zweiten Kondensator niedrig ist. Durch den ohmschen Widerstand wird der Unterschied zwischen den Spannungen an dem ersten Kon densator und an dem zweiten Kondensator reduziert, so dass die Versorgungsschaltung und die Steuerschaltung sicher in Betrieb genommen werden können. Zur Vermeidung von Verlusten wird der ohmsche Widerstand vorzugsweise hochohmig gewählt.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 21 gewährleistet eine effiziente und zuverlässige Energiege winnung bei Anliegen einer positiven Spannung an den Eingangsanschlüssen. Die elektronischen Schaltelemente dienen zum Umschalten zwischen dem ersten Schaltzustand und dem nachfol genden zweiten Schaltzustand. In dem ersten Schaltzustand wird mittels der an den Eingangsan schlüssen anliegenden positiven Spannung elektrische Energie in der Spule gespeichert. Hierzu sind die elektronischen Schaltelemente in dem ersten Schaltzustand geschlossen. In dem nachfol genden zweiten Schaltzustand wird mittels der gespeicherten elektrischen Energie der erste Kon densator geladen. Die elektrischen Schaltelemente werden synchron angesteuert. Die erste Schaltfolge erstreckt sich über eine Periodendauer Ts. Für die Periodendauer Ts gilt: Ts = l/fs, wobei fs eine Schaltffequenz der Steuereinrichtung bezeichnet. Der erste Schaltzustand hat eine Zeitdauer D · Ts und der zweite Schaltzustand eine Zeitdauer (1 - D) · Ts, wobei D einen Tast grad bzw. Ansteuergrad (Duty cycle) bezeichnet. Mittels des Tastgrades D wird vorzugsweise eine Eingangsimpedanz an den Eingangsanschlüssen eingestellt. Der Tastgrad D bezeichnet das Verhältnis der Dauer des ersten Schaltzustands zu der Gesamtdauer der Schaltzustände, also zu der Periodendauer Ts.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 22 gewährleistet eine effiziente und zuverlässige Energiege- winnung bei Anliegen einer negativen Spannung an den Eingangsanschlüssen. Die elektroni schen Schaltelemente dienen zum Umschalten zwischen dem ersten Schaltzustand und dem nachfolgenden zweiten Schaltzustand. In dem ersten Schaltzustand wird mittels der an den Ein gangsanschlüssen anliegenden negativen Spannung elektrische Energie in der Spule gespeichert. Hierzu sind die elektronischen Schaltelemente in dem ersten Schaltzustand geschlossen. In dem nachfolgenden zweiten Schaltzustand wird mittels der gespeicherten elektrischen Energie der zweite Kondensator geladen. Die elektrischen Schaltelemente werden synchron angesteuert. Die erste Schaltfolge erstreckt sich über eine Periodendauer Ts. Für die Periodendauer Ts gilt: Ts = l/fs, wobei fs eine Schaltffequenz der Steuereinrichtung bezeichnet. Der erste Schaltzustand hat eine Zeitdauer D · Ts und der zweite Schaltzustand eine Zeitdauer (1 - D) · Ts, wobei D einen Tastgrad bzw. Ansteuergrad (Duty cycle) bezeichnet. Mittels des Tastgrades D wird vorzugs weise eine Eingangsimpedanz an den Eingangsanschlüssen eingestellt. Der Tastgrad D bezeich net das Verhältnis der Dauer des ersten Schaltzustands zu der Gesamtdauer der Schaltzustände, also zu der Periodendauer Ts.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 23 gewährleistet eine zuverlässige und effiziente Energiege winnung. Die Steuerschaltung ermöglicht in einfacher Weise ein sogenanntes Maximum-Power- Point-Tracking (MPPT) und somit eine Optimierung bzw. Maximierung der gewonnenen elektri schen Energie. Durch die Komparatoren wird eine gesteuerte Pulsweitenmodulation (Open- Loop-Pulse-Width-Modulation) realisiert. Der erste Komparator und/oder der zweite Kompara tor werden mit der Versorgungsspannung betrieben, die von der Versorgungsschaltung bereitge stellt wird. Die Erzeugung der Sägezahnspannung sowie die Erzeugung der Steuersignale mittels der Sägezahnspannung ist durch die geeignete Auswahl der ohmschen Widerstände und/oder des Kondensators der Komparatoren in einfacher Weise so anpassbar, dass eine Eingangsimpedanz im Wesentlichen dem Innenwiderstand des Energiegewinners entspricht. Die Eingangsimpedanz an den Eingangsanschlüssen ist mittels eines Tastgrades D (Duty cycle) anpassbar. Der Tastgrad D bezeichnet das Verhältnis der Dauer eines ersten Schalzustands zu der Gesamtdauer der Schaltzustände, also zu einer Periodendauer Ts. Der zweite Komparator vergleicht die Sägezahn spannung insbesondere mit einer Vergleichsspannung, die von einem Spannungsteiler bereitge- stellt wird, an dem die Versorgungsspannung anliegt. Der Spannungsteiler ist vorzugsweise rein ohmsch ausgebildet und umfasst zwei ohmsche Widerstände.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 24 gewährleistet eine effiziente Energiegewinnung. Die Ein gangsimpedanz wird an eine Impedanz bzw. Innenwiderstand des Energiegewinners angepasst, so dass die gewonnene elektrische Energie optimiert bzw. maximiert wird. Anders ausgedrückt, wird die Eingangsimpedanz derart angepasst, dass die an den Eingangsanschlüssen anliegende Spannung und der zugehörige Strom im Wesentlichen in Phase sind. Hierdurch erfolgt ein Maxi- mum-Power-Point-Tracking (MPPT). Die Eingangsimpedanz wird mittels eines Tastgrades D (Duty cycle) eingestellt. Der Tastgrad D bezeichnet das Verhältnis der Dauer eines ersten Schalt zustands zu der Gesamtdauer eines ersten Schaltzustands und eines nachfolgenden zweiten Schaltzustands, also zu einer Periodendauer Ts.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen einfach und kompakt aufgebauten Ener gieerzeuger zu schaffen, der in effizienter und zuverlässiger Weise die Gewinnung elektrischer Energie ermöglicht. Der Energieerzeuger soll insbesondere eine effiziente Gewinnung elektri scher Energie aus einer äußerst niedrigen Spannung im Millivolt-Bereich ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch einen Energieerzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 25 gelöst. Die Vorteile des Energieerzeugers entsprechen den bereits beschriebenen Vorteilen der erfin dungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie. Der Energiegewinner ist bei spielsweise ein piezoelektrischer Energiegewinner bzw. piezoelektrischer Generator und/oder ein elektromagnetischer Energiegewinner. Vorzugsweise ist der Energiegewinner ein elektromagne tischer Energiegewinner (EMEH: Electro-Magnetic Enerergy Harvester). Elektromagnetische Energiegewinner stellen eine vergleichsweise hohe Menge an elektrischer Energie bereit. Die vergleichsweise geringe Spannung von elektromagnetischen Energiegewinnem stellt für die er findungsgemäße Vorrichtung keinen Nachteil dar.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Energieerzeugers gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel mit einem galvanischen Energiespeicher,

Fig. 2 einen zeitlichen Verlauf einer von dem Energiegewinner bereitgestellten

Spannung sowie der von einer Steuereinrichtung erzeugten Steuersignale zum Umschalten zwischen ersten Schaltzuständen und zweiten Schaltzu- ständen des Energieerzeugers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Steuerschaltung zur Erzeugung der

Steuersignale für einen elektronischen Schalters des Energieerzeugers,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des Energieerzeugers bei der Inbetriebnahme einer

Versorgungsschaltung zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für die Steuerschaltung,

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild des Energieerzeugers in einem ersten Schaltzustand, wenn ein Energiegewinner eine positive Spannung bereitstellt,

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild des Energiegewinners in einem zweiten Schaltzustand, der auf den ersten Schaltzustand gemäß Fig. 5 folgt,

Fig. 7 ein Ersatzschaltbild des Energieerzeugers in einem ersten Schaltzustand, wenn ein Energiegewinner eine negative Spannung bereitstellt,

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild des Energiegewinners in einem zweiten Schaltzustand, der auf den ersten Schaltzustand gemäß Fig. 7 folgt,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Energieerzeugers gemäß einem zwei- ten Ausführungsbeispiel ohne einen galvanischen Energiespeicher, Fig. 10 ein Schaltbild einer Versorgungsschaltung der Steuereinrichtung des Ener gieerzeugers gemäß Fig. 9 in einem ersten Ladezustand,

Fig. 11 ein Schaltbild der Versorgungsschaltung in einem zweiten Ladezustand, und

Fig. 12 ein Schaltbild der Versorgungsschaltung in einem dritten Ladezustand.

Nachfolgend ist anhand der Fig. 1 bis 8 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrie- ben. Ein Energieerzeuger 1 umfasst einen Energiegewinner 2 und eine Vorrichtung 3 zur Gewin nung elektrischer Energie. Der Energiegewinner 2 ist elektromagnetisch ausgebildet. Der Ener giegewinner 2 ist bekannt und in üblicher Weise aufgebaut. Der Energiegewinner 2 wird auch als Energy Harvester bezeichnet. Die Vorrichtung 3 dient zur Nutzbarmachung bzw. Gewinnung der elektrischen Energie, die von dem Energiegewinner 2 bereitgestellt wird. Hierzu ist der Energie gewinner 2 an einen ersten Eingangsanschluss 4 und einen zweiten Eingangsanschluss 5 der Vorrichtung 3 angeschlossen. Der Energieerzeuger 1 dient zur Versorgung einer Last 6 mit elektrischer Energie. Hierzu ist die Last 6 an einen ersten Ausgangsanschluss 7 und an einen zweiten Ausgangsanschluss 8 der Vorrichtung 3 angeschlossen. Der Energiegewinner 2 ist an dem Eingangsanschluss 5 mit einem Referenzpotenzial verbunden, das als EH-GND (Energy Harvester GND) bezeichnet ist.

Der Energiegewinner 2 stellt eine Spannung V _h bereit, die eine wechselnde Polarität hat (AC- Spannung). Die Spannung V _h über der Zeit t ist beispielhaft in Fig. 2 dargestellt. Der Teil der Spannung V _h mit positiver Polarität wird nachfolgend mit V _hP und der Teil der Spannung mit ne gativer Polarität mit V _hn bezeichnet.

Die Vorrichtung 3 umfasst einen Gleichrichter 9 und eine zugehörige Steuereinrichtung 10. Der Gleichrichter 9 bildet eine erste Ladeschaltung 11 aus, die zur Energiegewinnung aus der an den Eingangsanschlüssen 4, 5 anliegenden positiven Spannung V _hP des Energiegewinners 2 dient. Weiterhin bildet der Gleichrichter 9 eine zweite Ladeschaltung 12 aus, die zur Energiegewin nung aus der an den Eingangsanschlüssen 4, 5 anliegenden negativen Spannung V _hn des Energie gewinners 2 dient. Die erste Ladeschaltung 11 umfasst einen elektronischen Schalter 13, eine Spule L, einen ersten Kondensator C _p und ein erstes Sperrelement D _p . Demgegenüber umfasst die zweite Ladeschal tung 12 den elektronischen Schalter 13, die Spule L, einen zweiten Kondensator C _n und ein zweites Sperrelement D _n .

Die Spule L ist mit dem ersten Eingangsanschluss 4 und einem Ladeschaltungsknoten K verbun den. Der elektronische Schalter 13 ist mit dem Ladeschaltungsknoten K und dem zweiten Ein gangsanschluss 5 verbunden, so dass die Spule L und der elektronische Schalter 13 zwischen den Eingangsanschlüssen 4, 5 in Reihe geschaltet sind. Der erste Kondensator C _p ist mit dem La deschaltungsknoten K und dem ersten Ausgangsanschluss 7 verbunden. Weiterhin ist das erste Sperrelement D _p mit dem ersten Eingangsanschluss 4 und dem ersten Ausgangsanschluss 7 der art verbunden, dass das erste Sperrelement D _p einen Stromfluss von dem ersten Ausgangsan schluss 7 zu dem ersten Eingangsanschluss 4 ermöglicht. Das erste Sperrelement D _p ist als Diode ausgebildet. Die Spule L, der erste Kondensator C _p und das erste Sperrelement D _p bilden dem entsprechend eine erste Masche M _p2 aus. Der zweite Kondensator C _n ist mit dem Ladeschal tungsknoten K und dem zweiten Ausgangsanschluss 8 verbunden. Weiterhin ist das zweite Sper relement D _n mit dem ersten Eingangsanschluss 4 und dem zweiten Ausgangsanschluss 8 derart verbunden, dass das zweite Sperrelement D _n einen Stromfluss von dem ersten Eingangsanschluss 4 zu dem zweiten Ausgangsanschluss 8 ermöglicht. Das zweite Sperrelement D _n ist als Diode ausgebildet. Die Spule L, das zweite Sperrelement D _n und der zweite Kondensator C _n bilden so mit eine zweite Masche M _n2 aus. Die Sperrelemente D _p und D _n haben somit in Bezug auf die Spule L entgegengesetzte Durchlassrichtungen, so dass ein Stromfluss durch die Spule L in dem Maschen M _p2 und M _n2 entgegengesetzt ist.

Der Gleichrichter 9 umfasst weiterhin einen wiederaufladbaren galvanischen Energiespeicher 14. Der galvanische Energiespeicher 14 ist an den ersten Ausgangsanschluss 7 und an den zweiten Ausgangsanschluss 8 angeschlossen. Hierzu ist ein Minuspol des galvanischen Energiespeichers 14 mit dem ersten Ausgangsanschluss 7 und ein Pluspol mit dem zweiten Ausgangsanschluss 8 verbunden. An den Ausgangsanschlüssen 7, 8 wird eine Ausgangsspannung E _b bereitgestellt.

Der elektronische Schalter 13 ist als eine Reihenschaltung aus einem ersten elektronischen Schaltelement Qi und einem zweiten elektronischem Schaltelement Q ₂ ausgebildet. Die elektro- nischen Schaltelementen Qi und Q ₂ sind jeweils als selbstsperrender n-Kanal MOSFET ausgebil- det. Ein Source-Anschluss Si des ersten Schaltelements Qi ist mit einem Referenzknoten Ko ver bunden. Der Referenzknoten Ko definiert ein Referenzpotenzial der Steuereinrichtung 10 (Con trol Circuit GND). Ein Drain- Anschluss Di des ersten Schaltelements Qi ist mit dem zweiten Eingangsanschluss 5 verbunden. Weiterhin ist ein Source-Anschluss S ₂ des zweiten Schaltele ments Q ₂ mit dem Referenzknoten Ko verbunden. Ein Drain- Anschluss D ₂ des zweiten Schaltele ments Q ₂ ist mit dem Ladeschaltungsknoten K verbunden. Das Referenzpotenzial des Referenz knotens Ko gewährleistet, dass an Gate- Anschlüssen Gi, G ₂ der Schaltelemente Qi und Q ₂ in Be zug auf die zugehörigen Source- Anschlüsse Si und S ₂ positive Steuerspannungen bzw. Steuer signale gi und g ₂ anliegen, wenn die Schaltelemente Qi und Q ₂ eingeschaltet werden sollen, und negative Steuerspannungen bzw. Steuersignale gi und g ₂ anliegen, wenn die Schaltelemente Qi und Q ₂ aus geschaltet werden sollen.

Eine erste parasitäre Inversdiode Fi ist parallel zu dem ersten Schaltelement Qi ausgebildet. Die erste Inversdiode Fi ist derart zu dem Source- Anschluss Si und dem Drain- Anschluss Di ausge bildet, dass ein Stromfluss in Richtung des ersten Source- Anschlusses Si gesperrt wird. Entspre chend ist parallel zu dem zweiten Schaltelement Q ₂ eine zweite parasitäre Inversdiode F ₂ ausge bildet. Die zweite Inversdiode F ₂ ist derart zu dem zweiten Source- Anschluss S ₂ und dem Drain- Anschluss D ₂ ausgebildet, dass ein Stromfluss in Richtung des zweiten Source- Anschlusses S ₂ gesperrt wird. Die Inversdioden Fi und F ₂ haben somit entgegengesetzte Sperrrichtungen. Durch die beschriebene Back-to-Back-Anordnung der Schaltelemente Qi und Q ₂ ist somit gewährleis tet, dass sowohl bei einer an dem elektronischen Schalter 13 anliegenden positiven Spannung als auch bei einer negativen Spannung mindestens eine der Inversdioden Fi bzw. F ₂ sperrt. Hier durch werden parasitäre Ströme und daraus resultierende Verluste vermieden.

Die Steuereinrichtung 10 dient zum Ansteuem des elektronischen Schalters 13. Die Steuerein richtung 10 weist eine Steuerschaltung 15 zur Erzeugung von Steuersignalen gi und g ₂ und eine Versorgungsschaltung 16 zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung v _cc für die Steuerschal tung 15 auf. Die Steuersignale gi, g ₂ sind Steuerspannungen. Die Versorgungsschaltung 16 weist eine Ladungspumpe 17 auf, die eine Diode D _cc und einen Kondensator C _cc umfasst. Die Diode D _cc ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss 8 und einem ersten Knoten ki verbunden. Die Diode D _cc ermöglicht einen Stromfluss von dem zweiten Aus- gangsanschluss 8 zu dem ersten Knoten ki . Der Kondensator C _cc ist mit dem ersten Knoten ki und dem Referenzknoten Ko verbunden, so dass die Diode D _cc und der Kondensator C _cc in Reihe geschaltet sind. Die Ladungspumpe 17 ist einstufig ausgebildet. Die Versorgungsspannung v _cc liegt über dem Kondensator C _cc an, also zwischen dem Knoten ki und dem Referenzknoten Ko.

Die Versorgungsschaltung 16 umfasst ferner einen ohmschen Widerstand R _b , der parallel zu dem ersten Kondensator C _p geschaltet ist und mit dem Ladeschaltungsknoten K und dem ersten Aus- gangsanschluss 7 verbunden ist.

Für den Gleichrichter 9 und die Versorgungsschaltung 16 gelten beispielhaft folgende Werte:

Induktivität der Spule L 33 mH,

Kapazität des ersten Kondensators C _p 10 pF,

Kapazität des zweiten Kondensators C _n 10 pF,

Kapazität des Kondensators C _cc 0,3 pF,

Wert des ohmschen Widerstands R _b 45 kW.

Die Steuerschaltung 15 umfasst einen ersten Komparator 18 zum Erzeugen einer Sägezahnspan nung v _s und einen zweiten Komparator 19 zum Erzeugen des Steuersignale gi, g ₂ zum Ansteuem der elektronischen Schaltelemente Qi, Q ₂ . Durch die Komparatoren 18, 19 wird eine gesteuerte Pulsweitenmodulation (Open-Loop-Pulse-Width- Modulation) realisiert.

Der erste Komparator 18 weist einen Operationsverstärker 20 auf, der als Betriebspotenziale die Versorgungsspannung v _cc und das Referenzpotenzial des Referenzknoten Ko hat. An den Knoten ki ist ein Spannungsteiler aus einem ersten ohmschen Widerstand Ri und einem zweiten ohm schen Widerstand R ₂ angeschlossen. Der erste ohmsche Widerstand Ri ist mit dem Referenzkno ten Ko verbunden, wohingegen der zweite ohmsche Widerstand R ₂ mit dem Knoten ki verbunden ist. Zwischen dem ohmschen Widerständen Ri und R ₂ wird an einem Knoten eine Spannung v _x abgegriffen und einem nicht-invertierenden Eingang (Plus-Eingang) des Operationsverstär kers 20 zugeführt. Der Knoten ist also mit dem nicht-invertierenden Eingang verbunden. Ein Ausgang des Operationsverstärkers 20 ist über einen dritten ohmschen Widerstand FO mit einem invertierenden Eingang (Minus-Eingang) des Operationsverstärkers 20 verbunden. Weiterhin ist der Ausgang über einen ohmschen Widerstand R ₄ mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 20 verbunden. Ein Kondensator Ci ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 20 und dem Referenzknoten Ko verbunden. Die Sägezahnspannung v _s liegt über dem Kondensator Ci an. Die Verbindung zwischen dem ohmschen Widerstand R ₃ und dem Kondensator Ci definiert somit einen Knoten n ₂ , an dem die Sägezahnspannung v _s bereitge stellt wird.

Der zweite Komparator 19 dient zum Vergleichen der Sägezahnspannung v _s mit einer Ver gleichsspannung v _y . Hierzu weist der zweite Komparator 19 einen Operationsverstärker 21 auf. Der Operationsverstärker 21 hat als Betriebspotenziale die Versorgungsspannung v _cc und das Re ferenzpotenzial an dem Referenzknoten Ko. Der zweite Komparator 19 umfasst einen Span nungsteiler aus einem ohmschen Widerstand Rs und einem ohmschen Widerstand Re. Der Span nungsteiler ist an den Referenzknoten Ko und den Knoten ki angeschlossen. Hierzu ist der ohm sche Widerstand Rs mit dem Referenzknoten Ko verbunden, wohingegen der ohmsche Wider stand Re mit dem Knoten ki verbunden ist. Zwischen den ohmschen Widerständen R ₅ und Re wird die Vergleichsspannung v _y abgegriffen. Hierzu ist ein Knoten n ₃ zwischen den ohmschen Widerständen R ₅ und Re mit einem nicht-invertierenden Eingang (Plus-Eingang) des Operations verstärkers 21 verbunden. Die Vergleichsspannung v _y liegt somit über dem ohmschen Wider stand R ₅ , also zwischen dem Knoten n ₃ und dem Referenzknoten Ko an. Der Knoten n ₂ ist mit einem invertierenden Eingang (Minus-Eingang) des Operationsverstärkers 21 verbunden. An ei nem Ausgang des Operationsverstärkers 21 werden die Steuersignale gi und g ₂ bereitgestellt.

Die Steuersignale gi und g ₂ liegen an den Gate- Anschlüssen Gi, G ₂ der Schaltelemente Qi und Q ₂ an.

Die Steuereinrichtung 10 ist derart ausgebildet, dass bei Anliegen der positiven Spannung V _hP eine erste Schaltfolge mit einem ersten Schaltzustand Zi _p und einem darauffolgenden zweiten Schaltzustand Z _2p realisiert wird. Für die erste Schaltfolge gilt:

wobei 0 EIN und 1 AUS bedeutet. Der Schaltzustand Zi _p ist in Fig. 5 und der Schaltzustand Z _2p in Fig. 6 veranschaulicht.

Die Steuereinrichtung 10 ist ferner derart ausgebildet, dass bei Anliegen der negativen Spannung V _hn eine zweite Schaltfolge mit einem ersten Schaltzustand Zi _n und einem darauffolgenden zwei- ten Schaltzustand Z _2n realisiert wird. Für die zweite Schaltfolge gilt:

wobei 0 Ein und 1 AUS bedeutet. Der Schaltzustand Zi _n ist in Fig. 7 und der Schaltzustand Z _2n in Fig. 8 veranschaulicht.

Die erste Schaltfolge und die zweite Schaltfolge erstrecken sich jeweils über eine Periodendauer Ts. Für die Periodendauer Ts gilt: Ts = l/fs, wobei fs eine Schaltfrequenz der Steuereinrichtung 10 bezeichnet. Der jeweilige erste Schaltzustand Zi _p bzw. Zi _n hat die Zeitdauer D · Ts und der jeweils zugehörige zweite Schaltzustand Z _2p bzw. Z _2n die Zeitdauer (1 - D) · Ts, wobei D einen Tastgrad bzw. Ansteuergrad (Duty cycle) bezeichnet.

Die Funktion des Energieerzeugers 1 ist wie folgt:

Zunächst wird die Versorgungsschaltung 16 in Betrieb genommen, um die Versorgungsspan nung V _cc zu erzeugen und der Steuerschaltung 15 bereitzustellen. Dies ist in Fig. 4 veranschau- licht. Die Versorgungsschaltung 16 basiert auf der einstufigen Ladungspumpe 17, die den Ener- giegewinner 2, die Spule L und den zweiten Kondensator C _n nutzt, um eine ausreichende Versor gungsspannung V _cc zu erzeugen. Gemäß der in Fig. 4 eingezeichneten Masche Mo gilt für die Versorgungsspannung v _cc :

Vcc ^— Vcn Vhmax ^— 2 VD ^— Eb Vhmax ^— 2 ' VD, (1) wobei E _b die Ausgangsspannung bzw. die Spannung des galvanischen Energiespeichers 14, V _hmax die maximale Spannung des Energiegewinners 2, VL die Spannung über der Spule L und v _cn die Spannung über dem zweiten Kondensator C _n sowie VD die Spannung über den Dioden D _cc und Fi bezeichnet. Der Kondensator C _cc wird mittels der Spannung V _h des Energiegewinners 2 gela den, so dass eine ausreichende Versorgungsspannung v _cc bereitgestellt wird. Der ohmsche Wi derstand Rb gewährleistet, dass die Spannung Eb über den Kondensatoren C _p und C _n verteilt wird und verhindert ein im Wesentlichen vollständiges Anliegen der Spannung E _b über dem Konden sator C _p . Hierdurch wird eine zuverlässige Inbetriebnahme der Versorgungsschaltung 16 gewähr leistet und ein Überlasten des Kondensators C _p vermieden. Der ohmsche Widerstand Rb ist hochohmig gewählt, so dass die durch den ohmschen Widerstand Rb verursachten Verluste ge ring sind.

Bei Bereitstellung einer ausreichenden Versorgungsspannung v _cc erzeugt die Steuerschaltung 15 die Steuersignale gi, g ₂ bzw. die Steuerspannungen gi, g ₂ zum Ansteuem der elektronischen Schaltelemente Qi und Q ₂ . Der Energiegewinner 2 erzeugt die Spannung V _h , aus der der Strom i _h resultiert. Bei Anliegen der positiven Spannung V _hP realisiert die Steuerschaltung 15 die erste Schaltfolge. Zunächst werden in dem ersten Schaltzustand Zi _p die Schaltelemente Qi und Q ₂ synchron eingeschaltet, so dass der Strom i _h in der Masche M _pi durch die Spule L fließt. Dies ist in Fig. 5 veranschaulicht. In dem ersten Schaltzustand Zi _p wird somit elektrische Energie in der Spule L gespeichert.

In dem darauffolgenden zweiten Schaltzustand Z _2p werden die elektronischen Schaltelemente Qi und Q ₂ geöffnet, so dass die Spule L aufgrund der gespeicherten Energie einen Strom in der Ma sche M _p2 treibt und den Kondensator C _p lädt. Der Strom i _p fließt in der Masche M _p2 über das als Diode ausgebildete erste Sperrelement D _p . An dem ersten Kondensator C _p liegt die Spannung v _cp an. Dies ist in Fig. 6 veranschaulicht. Aufgrund der Spannung v _cp fließt ein Strom i _b , der den gal vanischen Energiespeicher 14 lädt.

Bei Anliegen der negativen Spannung V _hn realisiert die Steuerschaltung 15 die zweite Schalt folge. In dem ersten Schaltzustand Z _\n werden die Schaltelemente Qi und Q ₂ synchron einge schaltet, so dass der Strom i _h in einer Masche M _ni über die Spule L fließt und elektrische Energie in der Spule L gespeichert wird. Dies ist in Fig. 7 veranschaulicht. In dem ersten Schaltzustand Zi _n wird somit elektrische Energie in der Spule L gespeichert.

In dem darauffolgenden zweiten Schaltzustand Z _2n werden die elektronischen Schaltelemente Qi und Q ₂ geöffnet, so dass die Spule L aufgrund der gespeicherten Energie einen Strom in der Ma sche M _n2 treibt und den Kondensator C _n lädt. Der Strom i _n fließt in der Masche M _n2 über das als Diode ausgebildete zweite Sperrelement D _n . An dem zweiten Kondensator C _n liegt die Spannung V _cn an. Dies ist in Fig. 8 veranschaulicht. Aufgrund der Spannung v _cn fließt ein Strom i _b , der den galvanischen Energiespeicher 14 lädt.

Dadurch, dass bei Anliegen der positiven Spannung V _hP und bei Anliegen der negativen Span nung V _hn jeweils die einzige Spule L genutzt wird, ist der Gleichrichter 9 einfach und kompakt aufgebaut. Dadurch, dass nur eine einzige Spule L benötigt wird, werden zudem die Kosten re duziert. Die von den Ladeschaltungen 11 und 12 gemeinsam genutzte Spule L ist nicht nur Teil des Gleichrichters 9, sondern wird zusätzlich zur Inbetriebnahme der Versorgungsschaltung 16 genutzt. Dadurch, dass die Spannung V _h des Energiegewinners 2 in einer Stufe gleichgerichtet wird, wird die Gewinnung elektrischer Energie mittels des Gleichrichters 9 optimiert. Zudem er möglicht der Gleichrichter 9 die Gewinnung elektrischer Energie aus einer äußerst niedrigen Spannung V _h . Der elektromagnetisch ausgebildete Energiegewinner 2 weist typischerweise eine Spannung von 1 mV bis 1,2 V, insbesondere von 10 mV bis 750 mV, und insbesondere von 50 mV bis 500 mV auf.

Die Steuereinrichtung 10 ist derart ausgebildet, dass eine Eingangsimpedanz Z _m an den Ein gangsanschlüssen 4, 5 an den Energiegewinner 2 angepasst wird und die gewonnene elektrische Energie somit optimiert bzw. maximiert wird. Der Energieerzeuger 1 bzw. die Vorrichtung 3 er möglicht bzw. realisiert somit ein sogenanntes Maximum-Po wer-Point-Tracking (MPPT). Die Steuereinrichtung 10 weist dementsprechend eine Maximum-Power-Point-Tracking-Funktion auf. Die Messung einer Spannung, eines Stroms oder eine Nulldurchgangserkennung bzw. Pola ritätserkennung ist hierzu nicht erforderlich. Die Vorrichtung 3 wird in einem diskontinuierli chen Modus (DCM: Discontineous Conduction Mode) betrieben und ist aus Sicht des Energiege winners 2 ein einstellbares und rein ohmsches Element. Die Eingangsimpedanz Zi _n bzw. der Ein gangswiderstand der Vorrichtung 3 wird an den Innenwiderstand des Energiegewinners 2 ange passt, wodurch das Maximum-Po wer-Point-Tracking erzielt wird. Für die Eingangsimpedanz Zi _n der Vorrichtung 3 gilt: wobei Lo den Induktivitätswert der Spule L, fs die Schaltfrequenz und D den Tastgrad bezeich net. Die Eingangsimpedanz Zi _n wird über den Tastgrad D eingestellt.

Die elektronischen Schaltelemente Qi und Q ₂ werden aufgrund der Back-to-Back-Anordnung synchron betrieben. Außerdem werden die elektronischen Schaltelemente Qi und Q ₂ in der ers ten Schaltfolge, also bei Anliegen der positiven Spannung Vh _P , und in der zweiten Schaltfolge, also bei Anliegen der negativen Spannung vi, _n , in entsprechender Weise betrieben. Das bedeutet, dass die elektronischen Schaltelemente Qi und Q ₂ in dem jeweiligen ersten Schaltzustand Zi _p bzw. Zi _n geschlossen sind, wohingegen die elektronischen Schaltelemente Qi und Q ₂ in dem zu gehörigen zweiten Schaltzustand Z _2p bzw. Z _2n offen sind. Dadurch, dass der Referenzknoten Ko mit den Source- Anschlüssen Si und S ₂ verbunden ist, können die elektronischen Schaltelemente Qi und Q ₂ in einfacher Weise direkt von der Steuerschaltung 15 angesteuert werden.

Die Anpassung der Eingangsimpedanz Zi _n erfolgt über die Auslegung der Steuerschaltung 15. Durch die Komparatoren 18, 19 wird eine gesteuerte Pulsweitenmodulation (Open-Loop-Pulse- Width-Modulation) realisiert. Der erste Komparator 18 lädt den Kondensator Ci über den ohm schen Widerstand R ₃ und vergleicht die Spannung v _x mit der über den Kondensator Ci anliegen den Spannung derart, dass der Kondensator Ci entladen wird, wenn die Spannung über dem Kondensator Ci größer als die Spannung v _x ist. Hierdurch entsteht die Sägezahnspannung v _s , die über dem Kondensator Ci anliegt. Der zweite Komparator 19 vergleicht die Sägezahnspannung v _s mit der Vergleichsspannung v _y und erzeugt die Steuersignale gi und g ₂ . Durch den Vergleich der Sägezahnspannung v _s mit der Vergleichsspannung v _y wird automatisch die Eingangsimpe- danz Zi _n bestimmt und die Steuersignale gi und g ₂ derart erzeugt, dass mittels des Tastgrads D die Eingangsimpedanz Zi _n an den Energiegewinner 2 angepasst wird. Da der Energiegewinner 2 eine im Wesentlichen maximale Energiegewinnung bei einer Eingangsimpedanz Zi _n zwischen 7 W und 13 W ermöglicht, ist eine exakte Anpassung der Eingangsimpedanz Zi _n an den Energiege- winner 2 nicht erforderlich, um eine effiziente Energiegewinnung zu gewährleisten. Schwankun gen bei der Versorgungsspannung v _cc wirken sich somit nicht nachteilig auf die Effizienz der Energiegewinnung aus. Der Tastgrad D und die Schaltfrequenz fs können beispielsweise über den ohmschen Widerstand Re und den Kondensator Ci eingestellt werden.

Die Steuersignale gi und g ₂ werden somit in zeitlicher Hinsicht so eingestellt, dass der jeweilige erste Schaltzustand Zi _p bzw. Zi _n bezogen auf eine Periodendauer Ts für eine Zeitdauer 0 < t < D Ts eingestellt wird und der jeweilige zweite Schaltzustand Z _2p bzw. Z _2n für die Zeitdauer D · Ts < t < (l - D) - Ts eingestellt wird.

Mittels der Spannungen v _cp und v _cn wird der galvanische Energiespeicher 14 geladen, der die Spannung E _b bereitstellt. Mittels der Spannung E _b wird die Last 6 mit elektrischer Energie ver sorgt.

Nachfolgend ist anhand der Fig. 9 bis 12 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung be schrieben. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Gleichrichter 9 keinen galvanischen Energiespeicher auf. Zur Inbetriebnahme der Versorgungsschaltung 16 und zur Be reitstellung der Versorgungsspannung v _cc weist die Versorgungsschaltung 16 eine Haupt-La- dungspumpe 17 und eine Hilfs-Ladungspumpe 22 auf. Ein ohmscher Widerstand R _b entspre chend dem ersten Ausführungsbeispiel ist nicht erforderlich.

Die Hilfs-Ladungspumpe 22 ist mit den Eingangsanschlüssen 4, 5 verbunden. Die Ladungs pumpe 22 ist als passive einstufige Villard-Ladungspumpe ausgebildet. Ein vierter Kondensator C _bi ist mit dem ersten Eingangsanschluss 4 und einem zweiten Knoten k ₂ verbunden. Eine zweite Diode D _M ist mit dem zweiten Eingangsanschluss 5 und dem zweiten Knoten k ₂ derart verbunden, dass die Diode D _M einen Stromfluss von dem zweiten Eingangsanschluss 5 zu dem Knoten k ₂ ermöglicht. Ein fünfter Kondensator C _b2 ist mit dem zweiten Eingangsanschluss 5 und einem dritten Knoten k3 verbunden. Eine dritte Diode D _b2 ist mit dem zweiten Knoten k ₂ und dem dritten Knoten k3 derart verbunden, dass die dritte Diode D _b2 einen Stromfluss von dem zweiten Knoten k ₂ zu dem dritten Knoten k3 zulässt. Eine vierte Diode D _b 3 ist mit dem ersten Knoten ki der Haupt-Ladungspumpe 17 derart verbunden, dass die vierte Diode D _b 3 einen Stromfluss von dem dritten Knoten k3 zu dem ersten Knoten ki und dem Referenzknoten Ko zu lässt. Die Haupt-Ladungspumpe 17 ist entsprechend der Ladungspumpe 17 des ersten Ausfüh rungsbeispiels ausgebildet.

Der Energieerzeuger 1 ermöglicht eine Inbetriebnahme der Steuereinrichtung 10 ohne einen gal vanischen Energiespeicher. Hierzu wird zunächst die Hilfs-Ladungspumpe 22 in Betrieb genom men und mit dieser anschließend die Haupt-Ladungspumpe 17. Der Energiegewinner 2 stellt ty pischerweise in wenigen Zyklen nach einer Anregung eine vergleichsweise hohe Spannung V _h bereit, die sich anschließend aufgrund einer Dämpfung erheblich reduziert. In diesen Zyklen wird die Hilfs-Ladungspumpe 22 in Betrieb genommen. Liegt die negative Spannung V _hn an, so wird über die Diode DM der Kondensator C _bi geladen. Hierzu fließt über die Diode DM ein Lade strom ii zu dem Kondensator C _bi . Die aktive Masche Mi ist in Lig. 10 veranschaulicht.

Beim anschließenden Anliegen der positiven Spannung V _hP lädt der aufgeladene Kondensator C _bi mit der anliegenden Spannung V _bi und der Energiegewinner 2 mit der Spannung V _hP über die Di ode D _b2 den Kondensator C _b2 . Die aktive Masche M ₂ und der Ladestrom i ₂ über die Diode D _b2 ist in Lig. 11 veranschaulicht. Lür die Spannung V _b2 gilt:

Vb2 2 ' Vhmax - 2 VD (3) wobei V _hmax die maximale Spannung des Energiegewinners 2 und V _D die Schwellspannung ist.

Anschließend wird über die Diode D _b 3 der Kondensator C _cc geladen, wodurch die Steuerschal tung 15 mit einer ausreichenden Versorgungsspannung v _cc versorgt wird und Steuersignale gi, g ₂ zur Ansteuerung der elektronischen Schaltelemente Qi, Q ₂ erzeugt. Hierdurch wird der Gleich richter 9 in Betrieb genommen und die Ausgangsspannung E _b steigt. Wenn E _b höher als die Spannung V _b2 ist, wird die Hilfs-Ladungspumpe 22 automatisch deaktiviert. Dann ist ausschließ lich die Haupt-Ladungspumpe 17 aktiv. Die Diode D _b 3 trennt die Hilfs-Ladungspumpe 22 von der Haupt-Ladungspumpe 17, so dass ausschließlich die Haupt-Ladungspumpe 17 aktiv ist. Die aktive Masche M ₃ und der Ladestrom sind in Fig. 12 veranschaulicht. Für die Spannung v _cc gilt:

Vcc VO T Vhmax - 2 VD (4) wobei vo die Spannung an dem Eingangsanschluss 8 ist. Alle Dioden sind vorzugsweise als Schottky-Dioden mit einem Schwellspannung V _D zwischen 0,1 bis 0,2 V ausgebildet.

An den Ausgangsanschlüssen 7, 8 ist ein Spannungsregler 23 angeschlossen. Der Spannungsreg- ler 23 dient zur Stabilisierung der Spannung E _b und stellt an Ausgangsanschlüssen 7‘, 8‘ eine ge regelte Ausgangsspannung E’ _b bereit. Die Last 6 ist an die Ausgangsanschlüsse 7‘, 8‘ ange- schlossen. Aufgrund des sich verändernden Ladezustands der Kondensatoren C _p und C _n schwankt die Spannung E _b an den Ausgangsanschlüssen 7, 8. Der Spannungsregler 23 vergleicht die Spannung E _b mit einer Soll-Spannung V _ref und stellt ausgangsseitig die geregelte Spannung E’ _b bereit. Hierzu umfasst der Spannungsregler 23 einen Gleichspannungswandler (DC-DC- Wandler), dessen ausgangsseitige Spannung E’ _b geregelt wird. Hierzu ist der Gleichspannungs- wandler Teil eines Spannungsregelkreises, der die ausgangsseitige Spannung E’ _b mit der Soll- Spannung V _ref vergleicht und eine Spannungsabweichung zwischen der Soll-Spannung V _ref und der ausgangsseitigen Spannung E’ _b einem Regler zuführt, der den Gleichspannungswandler zur Ausregelung der Spannungsabweichung ansteuert. Der Regler ist als PID-Regler ausgebildet.

Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Energieerzeugers 1 wird auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.