Aus WO 98/36395 A2 ist eine Anordnung zur Erzeugung kodierter Hochfrequenzsignale beschrieben, bei der zur Spannungserzeu- gung ein pyroelektrisches Element zur Umwandlung thermischer Prozessenergie in elektrische Energie verwendet wird. Diese elektrische Energie wird mittels eines Elements mit nichtli- nearer Kennlinie in hochfrequente Energie umgesetzt ; ein sol- ches Element kann eine Funkenstrecke oder ein Halbleiterbau- element sein. Das hochfrequente Signal wird sodann mittels einer Kodierungseinrichtung kodiert. Als Kodierungseinrich- tung werden Wandler und Filter, z. B. OFW-Filter, beschrie- ben. Auch beschrieben ist die Möglichkeit, die Anordnung ab- hängig von einem Umgebungsparameter, z. B. der Umgebungstem- peratur, auszulösen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglich- keit zur flexibleren Nutzung einer pyroelektrisch antreibba- ren Versorgungseinrichtung bereitzustellen, insbesondere zur Nutzung als Spannungsquelle für eine Ablaufsteuerung, insbe- sondere für eine Ablaufsteuerung in Form einer Halbleiter- schaltung.

Diese Aufgabe wird mittels einer Versorgungseinrichtung nach Anspruch 1, ein Schaltungssystem nach Anspruch 4 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Ablaufsteuerung in ULP-Technik nach Anspruch 8 gelöst.

Die Versorgungseinrichtung weist mindestens einen pyroe- lektrischen Spannungsgenerator auf. Weiterhin sind mindestens eine hochohmige Schwellwertschaltung und ein Spannungswandler vorhanden. Der Spannungswandler dient dazu, aus einem kurz- zeitig auftretenden Entladevorgang des pyroelektrischen Span- nungswandlers eine für den Betrieb des Verbrauchers geeigne- te, im wesentlichen konstante Spannung zu erzeugen. Eine im wesentlichen konstante Spannung bedeutet, dass sie innerhalb eines Toleranzbereichs zur Stromversorgung des Verbrauchers bzw. der Halbleiterschaltung liegt.

Der Spannungswandler ist mit dem Spannungsgenerator über die Schwellwertschaltung verbunden. Die Stellwertschaltung dient dazu, die elektrische Spannung am pyroelektrischen Spannungs- generator möglichst leistungsarm zu überwachen und beim Er- reichen einer konstruktiv oder schaltungstechnisch vorgegebe- nen Schwelle der Spannungswandler und einen damit gegebenen- falls verbundenen Verbraucher zuzuschalten bzw. abzukoppeln.

Wenn dies geschieht, entlädt sich der Spannungsgenerator, und der Entladestrom treibt kurzzeitig den Spannungswandler. Der Schwellwertschalter ist zur Reduzierung von Verlusten hochoh- mig ausgeführt.

An den Spannungswandler ist ein Verbraucher anschließbar ; der Verbraucher ist die elektrische/elektronische Vorrichtung o- der Schaltung, die kurzzeitig mit der erzeugten im wesentli- chen konstanten Spannung, insbesondere Gleichspannung, be- trieben werden kann, z. B. ein Mikrochip mit implementierter Ablaufsteuerung. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Versorgungseinrichtung mit einem Verbraucher mit niedriger Leistungsaufnahme in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, z. B. der Messdatenabfrage, betrieben werden kann.

Der pyroelektrische Spannungsgenerator ist zur Äufrechterhal- tung eines hohen Isolationswiderstandes und damit einer ge- ringen Verlustleistung auf geeignete Weise elektrisch isolie- rend gekapselt, z. B. durch Einbringung in ein hermetisch

dichtes Gehäuse oder den gasdichten Verguss mit geeigneten Kunststoffen. Er wird vorzugsweise in gutem thermischen Kon- takt mit der zu nutzenden Quelle der Temperaturschwankung, z.

B. einer Heizungsrippe, gebracht. Eine Temperaturänderung AT bewirkt die Trennung von elektrischen Ladungen im Pyromateri- al, so dass sich aufgrund der geringen elektrischen Kapazität an elektrisch leitfähigen, typischerweise metallisierten, Endflächen eine elektrische Spannung aufbaut.

Der pyroelektrische Spannungsgenerator umfasst bevorzugt ei- nen monolithischen pyroelektrischen Einkristall, z. B. aus Lithiumtantalat, eine pyroelektrische Keramik oder pyroe- lektrische Kunststoffe, insbesondere vorliegend als Folien.

Im Fall von pyroelektrischen Folien können diese durch Auf- rollen oder Falten auf eine kleine Baugröße gebracht werden.

Ebenfalls möglich ist der Einsatz von geschichteten pyroe- lektrischen Materialien, wobei die pyroelektrischen Schichten ähnlich wie bei einem Plattenkondensator durch leitfähige Schichten, die an Elektroden zusammengeführt werden, getrennt sind. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in einer größeren elektrischen Kapazität des Wandlers, wodurch die generierte elektrische Spannung geringer und somit besser an elektroni- sche Verbraucher angepasst ist.

Der Schwellwertschalter ist vorzugsweise ausgeführt als Fun- kenstrecke, als Halbleiter mit entsprechendem Schaltverhal- ten, z. B. als Tyristor, als elektrostatisch wirkender Schal- ter, insbesondere in mikromechanisch ausgeführten Varianten oder als Halbleiterschaltung mit Feldeffekttransistoren, wel- che eine Rückkopplung nutzt.

Als Spannungswandlerschaltung wird bevorzugt ein Schaltwand- ler oder ein Transformator mit anschließendender Spannungs- konstanthalteschaltung eingesetzt.

Als Verbraucher sind insbesondere funktionell vorgesehen :

Sensorschaltungen, welche eine Messgröße per Drahtverbin- dung, Funk, Schall oder Infrarot oder eine andere optische Verbindung weiterleiten oder optisch sichtbar machen, Schaltungen zur Übermittlung von Verbrauchsdaten über die oben genannten Kanäle, Anzeigeschaltungen, welche abgespeicherte Werte anzeigen, Alarmgeber.

Diese Liste ist nicht vollständig und soll lediglich einen Ausschnitt auf das Potential der vorgestellten Methode andeu- ten.

Es wird besonders bevorzugt, wenn der Verbraucher eine Logik- baugruppe in Form einer Ablaufsteuerung umfasst. Dadurch lässt sich beispielsweise ein sich zeitlich änderndes Mess- signal eines Sensors aufnehmen und weiterverarbeiten. Zusätz- lich kann beispielsweise ein durch die Ablaufsteuerung abruf- barer Identcode mit den Messsignalen oder auch alleine abge- rufen und ausgesendet werden. Die Verwendung der Ablaufsteue- rung besitzt zusätzlich den Vorteil, dass die in der Ab- laufsteuerung generierten Sendetelegramme flexibel codierbar sind. Es wird weiterhin bevorzugt, wenn ein in der Ab- laufsteuerung erzeugtes Sendetelegramm in einem nachgeschal- teten Sender einem Sendesignal, beispielsweise einem Hochfre- quenzsignal, aufgeprägt und dann abgesandt wird. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das ausgesandte Signal mög- lichst breitbandig ist, weil sich so zusammen mit der Ab- laufsteuerung eine hohe Informationsdichte ergibt. Die Band- breite ist bevorzugt größer als 100 kHz, insbesondere zwi- schen 300 kHz und 600 kHz. Die Signallänge eines Sendetele- gramms entspricht bevorzugt 32 bit bis 512 bit, die Sendedau- er liegt bevorzugt im Bereich von Millisekunden, insbesondere zwischen 0,2 ms und 5 ms, speziell zwischen 0,3 und 2 ms.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Versorgungseinrichtung einen Kondensator oder ein gleichwirkendes stromspeicherele- ment zur kurzfristigen Speicherung eines Teils des vom Span- nungsgenerator erzeugten Spannungssignals zur zeitlichen Ver-

längerung des konstanten Spannungssignals enthält. Durch den Kondensator wird somit eine relativ zum konstanten Ausgangs- signal der Spannungswandlerschaltung erhöhtes Spannungssignal gespeichert und bei Unterschreiten der zum Betrieb des Verbrauchers nutzbaren Spannung wieder abgegeben ; dadurch wird die Zeit, die für eine ausreichende bzw. im wesentlichen konstante Spannungsversorgung des Verbrauchers nutzbar ist, verlängert.

Aufgrund der durch eine Temperaturänderung zur Verfügung ste- henden vergleichsweise geringen Energiemengen ist es äußerst vorteilhaft, wenn der Verbraucher in ULP- ("Ultra Low Power"- ) Technik ausgeführt ist. Nur dann ist es für viele Anwendun- gen mit entsprechend kleinem Platzbedarf möglich, einen Verbraucher, insbesondere eine Ablaufsteuerung, über eine ausreichende Zeitdauer zu betreiben. Als ULP-Technik wird ei- ne Leistungsaufnahme von weniger als 20 mW, insbesondere we- niger als 10mW, speziell zwischen 3 mW und 8 mW verstanden.

Als Anwendungsbeispiele für die Versorgungseinrichtung und/oder das Schaltungssystem sind die Temperatursensorik in der Industrie, im Auto oder an Heizungen/Heizkörpern zur Kos- tenerfassung bevorzugt. Beispielsweise kann bei jeder Tempe- raturänderung von AT = 1° kurzfristig eine Ablaufsteuerung, insbesondere in Form einer Halbleiterschaltung, aktiviert werden, welche die Temperaturen misst ; die Weiterleitung der Messdaten wird vorzugsweise drahtlos über Funk realisiert.

Insbesondere wird es bevorzugt, wenn das Schaltungssystem in eine Steueranlage integriert ist. Insbesondere ist es güns- tig, wenn die Messdaten mittels PLC ("Power Line Communicati- on") weitervermittelt werden.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Versorgungs- einrichtung schematisch näher dargestellt : Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Schaltungssystems,

Figur 2 zeigt ein an der Spannungswandlerschaltung abgreifba- res Spannungssignal.

Figur 1 zeigt als Prinzipskizze ein Schaltungssystem mit ei- ner Versorgungseinrichtung GEN und einem nachgeschalteten Verbraucher V.

Die Versorgungseinrichtung GEN umfasst einen pyroelektrischen Spannungsgenerator 1 und einen nachgeschalteten Spannungs- wandler 3. Zwischen Spannungsgenerator 1 und Spannungswandler 3 ist ein hochohmiger Schwellwertschalter 2 zur Überwachung der Spannung des Spannungsgenerators 1 und, bei Erreichen ei- nes ausreichenden Spannungswertes, und Zuschaltung des Span- nungswandlers 3 gegeben. Dem Spannungswandler 3 nachgeschal- tet ist ein Kondensator 4, an dem vom Verbraucher V die Ver- sorgungsspannung Unutz abgegriffen wird.

Der Verbraucher V ist eine Halbleiter-Ablaufsteuerung mit ei- nem HF-Sender TX und Sendeantenne ANT. Angeschlossen ist ein Sensor S. Das Sendetelegramm des Verbrauchers V ist durch ei- nen Identcode identifizierbar. Der Verbraucher ist in ULP- Technik mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 50 mW ausgeführt und sendet im Bereich von Millisekunden ein bis zu 512 bit langes Sendetelegramm aus. Das Sendetelegramm kann aber auch länger sein.

Figur 2 zeigt die Versorgungsspannung Unutz, aufgetragen ge- gen die Zeit t.

Zu einem Zeitpunkt t0 schaltet der Schwellwertschalter 2 den Spannungswandler 3 zu ("ein"), wenn ein oberer Schwellwert UP erreicht ist. Die Spannung Unutz fällt dann zwischen tl und t2 ab, bis ein unterer Schwellwert LOW erreicht ist. Der Spannungsbereich zwischen UP und LOW ist die durch den Verbraucher V nutzbare Spannungsbreite. Bei Unterschreiten von LOW wird der Spannungswandler 3 vom Spannungsgenerator 1 abgekoppelt ("aus"). Die Aktivierungszeit t2-t0 liegt im Be- reich von Millisekunden.