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特許7491647電気エネルギーを得る装置及びこのような装置を有するエネルギー発生器
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-20
(45)【発行日】2024-05-28
(54)【発明の名称】電気エネルギーを得る装置及びこのような装置を有するエネルギー発生器
(51)【国際特許分類】
H02M 7/217 20060101AFI20240521BHJP
【ＦＩ】
H02M7/217
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2020542555
(86)(22)【出願日】2019-01-09
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-05-20
(86)【国際出願番号】 EP2019050440
(87)【国際公開番号】W WO2019154576
(87)【国際公開日】2019-08-15
【審査請求日】2021-10-18
(31)【優先権主張番号】102018201925.8
(32)【優先日】2018-02-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】515028838
【氏名又は名称】ウルト エレクトロニク アイソス ゲーエムベーハー ウント コンパニー カーゲー
(74)【代理人】
【識別番号】100154612
【弁理士】
【氏名又は名称】今井 秀樹
(72)【発明者】
【氏名】ショウシャ マハムッド
(72)【発明者】
【氏名】ハウク マルティン
【審査官】白井 孝治
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－０１７７７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】Rohan Dayal,Leila Parsa，A New Single Stage AC-DC Converter for Low Voltage Electromagnetic Energy Harvesting，2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition，米国，IEEE，2010年，p4447-p4452
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ７／２１７
Ｈ０２Ｍ ７／００－７／４０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
整流器（９）と、第１電子切替素子（Ｑ１）及び第２電子切替素子（Ｑ２）から作られた直列回路を含む電子スイッチ（１３）を作動させる制御装置（１０）とを有する、電気エネルギーを取得する装置（３）であって、前記整流器（９）は、
エネルギー取得機（２）に接続するための第１入力端子（４）及び第２入力端子（５）、
出力電圧（Ｅｂ）を提供するための第１出力端子（７）及び第２出力端子（８）、
前記第１入力端子（４）及び前記第２入力端子（５）に適用される前記エネルギー取得機（２）の正電圧（ｖｈｐ）からエネルギーを取得する第１充電回路（１１）、
前記第１入力端子（４）及び前記第２入力端子（５）に適用される前記エネルギー取得機（２）の負電圧（ｖｈｎ）からエネルギーを取得する第２充電回路（１２）、を有し、
前記第１充電回路（１１）は、
前記正電圧（ｖｈｐ）が適用されている場合、第１正切替状態（Ｚ１ｐ）において閉じられ、第２正切替状態（Ｚ２ｐ）において開かれる前記電子スイッチ（１３）、
前記第１正切替状態（Ｚ１ｐ）において形成される第１正ループ（Ｍｐ１）を流れる電流（ｉｈ）によりエネルギーを蓄え、貯蔵された前記エネルギーを基に電流（ｉｐ）を前記第２正切替状態（Ｚ２ｐ）において形成される第２正ループ（Ｍｐ２）に流すコイル（Ｌ）、
前記第２正ループ（Ｍｐ２）に流れる前記電流（ｉｐ）によって充電される第１コンデンサー（Ｃｐ）、及び
前記第１正切替状態（Ｚ１ｐ）において前記第１コンデンサー（Ｃｐ）が充電されることを防止し、前記第２正切替状態（Ｚ２ｐ）において前記コイル（Ｌ）からの充電用の前記電流（ｉｐ）の前記第１コンデンサー（Ｃｐ）への流れを許容する第１阻止要素（Ｄｐ）、を有し、
前記第２充電回路（１２）は、
前記負電圧（ｖｈｎ）が適用されている場合、第１負切替状態（Ｚ１ｎ）において閉じられ、第２負切替状態（Ｚ２ｎ）において開かれる前記電子スイッチ（１３）、
前記第１負切替状態（Ｚ１ｎ）において形成される第１負ループ（Ｍｎ１）を流れる電流（ｉｈ）によりエネルギーを蓄え、貯蔵された前記エネルギーを基に電流（ｉｎ）を前記第２負切替状態（Ｚ２ｎ）において形成される第２負ループ（Ｍｎ２）に流す前記コイル（Ｌ）、
前記第２負ループ（Ｍｎ２）に流れる前記電流（ｉｎ）によって充電される第２コンデンサー（Ｃｎ）、及び
前記第１負切替状態（Ｚ１ｎ）において前記第２コンデンサー（Ｃｎ）が充電されることを防止し、前記第２負切替状態（Ｚ２ｎ）では前記コイル（Ｌ）からの充電用の前記電流（ｉｎ）の前記第２コンデンサー（Ｃｎ）への流れを許容する第２阻止要素（Ｄｎ）、を有し、
前記制御装置（１０）が、前記第１正切替状態（Ｚ１ｐ）、前記第１負切替状態（Ｚ１ｎ）、前記第２正切替状態（Ｚ２ｐ）及び前記第２負切替状態（Ｚ２ｎ）を切り替えるための制御信号（ｇ１，ｇ２）を生成するための制御回路（１５）と、前記制御回路（１５）のために供給電圧（ｖｃｃ）を提供するための供給回路（１６）を有し、
前記供給回路（１６）が、前記供給電圧（ｖｃｃ）を提供するための少なくとも１つのチャージポンプ（１７，２２）を有し、
前記少なくとも１つのチャージポンプ（１７，２２）のうちの１つが、第１ダイオード（Ｄｃｃ）及び第３コンデンサー（Ｃｃｃ）から作られた直列回路を有する主チャージポンプ（１７）であり、当該第１ダイオード（Ｄｃｃ）のアノードが前記第１出力端子（７）及び前記第２出力端子（８）のうちの１つと接続しており、前記第１ダイオード（Ｄｃｃ）のカソードが前記第３コンデンサー（Ｃｃｃ）の第１端に接続しており、前記第３コンデンサー（Ｃｃｃ）の第２端が前記電子スイッチ（１３）の２つの直列接続した前記第１電子切替素子（Ｑ１）と前記第２電子切替素子（Ｑ２）の間のノード（Ｋ０）に接続している、装置（３）。
【請求項2】
前記コイル（Ｌ）と前記電子スイッチ（１３）が直列に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置（３）。
【請求項3】
前記電子スイッチ（１３）が、それぞれの前記第１電子切替素子（Ｑ１）及び前記第２電子切替素子（Ｑ２）と並列に接続した第１ボディダイオード（Ｆ１）及び第２ボディダイオード（Ｆ２）を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（３）。
【請求項4】
前記第１電子切替素子（Ｑ１）と並列に接続した前記第１ボディダイオード（Ｆ１）と、前記第２電子切替素子（Ｑ２）と並列に接続した前記第２ボディダイオード（Ｆ２）が、反対の阻止方向を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の装置（３）。
【請求項5】
前記コイル（Ｌ）、前記第１コンデンサー（Ｃｐ）及び前記第１阻止要素（Ｄｐ）が、前記コイル（Ｌ）からのエネルギーを前記第１コンデンサー（Ｃｐ）に伝達するための前記第２正ループ（Ｍｐ２）を形成する、ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項6】
前記コイル（Ｌ）、前記第２コンデンサー（Ｃｎ）及び前記第２阻止要素（Ｄｎ）が、前記コイル（Ｌ）からのエネルギーを前記第２コンデンサー（Ｃｎ）に伝達するための前記第２負ループ（Ｍｎ２）を形成する、ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項7】
前記第１阻止要素（Ｄｐ）及び前記第２阻止要素（Ｄｎ）が前記コイル（Ｌ）に関して異なる順方向を有する、ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項8】
前記第１コンデンサー（Ｃｐ）が前記第１出力端子（７）に接続し、前記第２コンデンサー（Ｃｎ）が前記第２出力端子（８）に接続している、ことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項9】
前記コイル（Ｌ）の第１端が、前記第１入力端子（４）に接続し、前記コイル（Ｌ）の第２端が、充電回路ノード（Ｋ）に接続し、前記電子スイッチ（１３）の第１端が、前記第２入力端子（５）に接続し、前記電子スイッチ（１３）の第２端が、前記充電回路ノード（Ｋ）に接続し、
前記第１コンデンサー（Ｃｐ）の第１端が、前記充電回路ノード（Ｋ）に接続し、前記第１コンデンサー（Ｃｐ）の第２端が、前記第１出力端子（７）に接続し、
前記第２コンデンサー（Ｃｎ）の第１端が、前記充電回路ノード（Ｋ）に接続し、前記第２コンデンサー（Ｃｎ）の第２端が、前記第２出力端子（８）に接続し、
前記第１阻止要素（Ｄｐ）の第１端が、前記第１入力端子（４）に接続し、前記第１阻止要素（Ｄｐ）の第２端が、前記第１出力端子（７）に接続し、及び
前記第２阻止要素（Ｄｎ）の第１端が、前記第２出力端子（８）に接続し、前記第２阻止要素（Ｄｎ）の第２端が、前記第１入力端子（４）に接続している、ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項10】
前記整流器（９）が、前記第１出力端子（７）及び前記第２出力端子（８）に接続したガルバニックエネルギー貯蔵装置（１４）を有する、ことを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項11】
電圧コントローラ（２３）が前記第１出力端子（７）及び前記第２出力端子（８）に接続している、ことを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項12】
前記少なくとも１つのチャージポンプ（１７，２２）のうちの１つ以外のものが、前記主チャージポンプ（１７）の開始動作のために機能する予備チャージポンプ（２２）であり、前記供給回路（１６）が、当該予備チャージポンプ（２２）を有し、前記予備チャージポンプ（２２）が、
第１端で前記第１入力端子（４）に接続し及び第２端で第２ノード（ｋ２）に接続した第４コンデンサー（Ｃｂ１）、
アノードで前記第２入力端子（５）に接続し及びカソードで前記第２ノード（ｋ２）に接続した第２ダイオード（Ｄｂ１）、
第１端で前記第２入力端子（５）に接続し及び第２端で第３ノード（ｋ３）に接続した第５コンデンサー（Ｃｂ２）、
アノードで前記第２ノード（ｋ２）に接続し及びカソードで前記第３ノード（ｋ３）に接続した第３ダイオード（Ｄｂ２）、及び
アノードで前記第３ノード（ｋ３）に接続した第４ダイオード（Ｄｂ３）を有する、ことを特徴とする請求項１～１１のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項13】
前記予備チャージポンプ（２２）の前記第４ダイオード（Ｄｂ３）のカソードが、前記主チャージポンプ（１７）の前記第１ダイオード（Ｄｃｃ）と前記第３コンデンサー（Ｃｃｃ）の間に構成された第１ノード（ｋ１）に接続し、前記主チャージポンプ（１７）の前記第１ダイオード（Ｄｃｃ）のカソードが前記第１ノード（ｋ１）に接続している、ことを特徴とする請求項１２に記載の装置（３）。
【請求項14】
前記供給回路（１６）は、前記第１コンデンサー（Ｃｐ）と並列に接続したオーム抵抗（Ｒｂ）を有する、ことを特徴とする請求項１～１３のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項15】
前記制御回路（１５）が、のこぎり波状電圧（ｖｓ）を生成する第１比較器（１８）と、前記電子スイッチ（１３）のための前記制御信号（ｇ１，ｇ２）を生成する第２比較器（１９）を有する、ことを特徴とする請求項１～１４のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項16】
前記第１入力端子（４）及び前記第２入力端子（５）での入力インピーダンス（Ｚｉｎ）が、生成された前記制御信号（ｇ１，ｇ２）によって前記エネルギー取得機（２）に適合可能であるように、前記制御回路（１５）が構成される、ことを特徴とする請求項１～１４のいずれか一項に記載の装置（３）。
【請求項17】
請求項１～１６のいずれか一項に記載の装置（３）、及びＡＣ電圧（ｖｈ）を提供するために前記第１入力端子（４）及び前記第２入力端子（５）に接続したエネルギー取得機（２）を有する、エネルギー発生器（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ドイツ特許出願ＤＥ１０２０１８２０１９２５．８の優先権を主張し、その内容は参照によりここに組み込まれる。
【0002】
本発明は、電気エネルギーを取得する装置及びこのような装置を有するエネルギー発生器に関する。
【背景技術】
【0003】
エネルギー獲得は、移動式電気装置の環境におけるソースから、例えば振動又は移動から少量の電気エネルギーを取得することを言う。対応するエネルギー取得機（energy harvesters）、例えば圧電発電機や電磁エネルギー取得機は交流極性（ＡＣ電圧）を有する小さい電圧を提供し、それからできるだけ効率的な態様で電気エネルギーが取得され、利用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の目的は、効率的且つ確実に電気エネルギーの取得を可能にする簡単且つコンパクトに設計された装置を提供することである。本装置は特に、ミリボルトの範囲の極めて低い電圧から電気エネルギーの効率的な取得を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
この目的は請求項１の特徴を有する装置によって達成される。整流器は、入力端子に適用されるエネルギー取得機の正電圧からエネルギーを取得する第１充電回路と、入力端子に適用されるエネルギー取得機の負電圧からエネルギーを取得する第２充電回路とを有し、当該充電回路は、共通のコイル及び共通の電子スイッチを有する。正電圧が適用されている場合、電子スイッチは第１切替状態において閉じており、それによりコイルは、適用される正電圧及びコイルを貫流する電流のためにエネルギーを蓄える。第１阻止要素は、第１コンデンサーが第１切替状態において充電されることを防止する。第１阻止要素は特にダイオードとして構成される。次の第２切替状態では、電子スイッチは開いており、それで第１コンデンサーはコイルに蓄えられたエネルギーにより充電される。第２切替状態では、第１阻止要素は、コイルからの充電電流の、第１コンデンサーへの流れを許容する。負電圧が適用される場合、電子スイッチは第１切替状態において閉じられ、それでコイルは、適用される負電圧及びコイルを貫流する電流のためにエネルギーを蓄える。第１切替状態において、第２阻止要素は、第２コンデンサーが充電されることを防止する。第２阻止要素は特にダイオードとして構成される。次の第２切替状態では、電子スイッチは開いており、それで第２コンデンサーはコイルに蓄えられたエネルギーにより充電される。第２切替状態では、第２阻止要素は、コイルからの充電電流の、第２コンデンサーへの流れを許容する。
【0006】
整流器は、正電圧が印加される場合及び負電圧が印加される場合に充電電流によって共に使用される単一のコイルしか有しないので、整流器は簡単に且つコンパクトに設計されている。装置のコストは、共通のコイルによって定められる磁気ボリュームの関数である。整流器は正に１つのコイルを有するので、磁気ボリュームは単一のコイルのボリュームに制限され、それで装置のコストは比較的安い。加えて、印加されるＡＣ電圧が同じ極性を有する電圧に又は単一のステップでＤＣ電圧に変換され、それにより電気エネルギーの取得が効率的且つ確実に行われる。入力端子は整流器のダイオードに直接接続しておらず、それによりエネルギー取得機により提供される極めて低い電圧も簡単且つ効率的に整流され、利用できる。整流器は特にバックブーストコンバータとして構成される。
【0007】
複数の前記充電回路は、共通して対応する態様で電子スイッチを使用する。電子スイッチは、少なくとも１つの電子切替素子を有する。少なくとも１つの電子切替素子は特にＭＯＳＦＥＴとして、好ましくはノーマリオフｎチャネルＭＯＳＦＥＴとして構成される。第１切替状態及び次の第２切替状態は期間Ｔｓにわたって続く。以下が期間Ｔｓに当てはまる。Ｔｓ＝１／ｆｓ、ｆｓは制御装置の切り替え周波数を示す。それぞれの第１切替状態は継続期間Ｄ・Ｔｓを有し、それぞれの関連する第２切替状態は（１－Ｄ）・Ｔｓの継続期間を有し、ここでＤはデューティーサイクルである。
【0008】
請求項２で請求される装置は、簡単且つコンパクトな設計と効率的なエネルギー取得を保証する。コイルと電子スイッチから作られた直列回路は入力端子に接続している。電子スイッチが閉じている場合、直列回路は、入力端子に接続したエネルギー取得機と共に、コイル及び電子スイッチからループを形成する。結局、入力端子に印加される電圧のために電流がコイルを流れ、それによりエネルギーがコイルにより蓄えられる。次の第２切替状態では、電子スイッチは開いており、それでコイルの、入力端子のうちの１つへの接続が直列回路のために切られ、ゆえにループが壊される。結局、第２切替状態では、第１コンデンサー又は第２コンデンサーの充電が可能となる。好ましくは、コイルは第１入力端子及び電子スイッチに接続され、電子スイッチは第２入力端子に接続される。
【0009】
請求項１で請求される装置は、高い信頼性と効率を保証する。直列接続した２つの電子切替素子の結果、寄生電流及びそれにより引き起こされる損失が回避される。２つの電子切替素子は特に背面配置（back-to-back arrangement）を有する。それにより寄生電流の結果としての損失及び誤作動が回避される。寄生電流は特にボディダイオード（逆方向ダイオード）によって引き起こされる。背面配置のために、ボディダイオードは様々な阻止方向を有する。電子切替素子は、電界効果トランジスタ（ｎチャネル又はｐチャネル）及びバイポーラトランジスタ（ＮＰＮ又はＰＮＰ）を有する群から選択される。電子切替素子は好ましくは、（複数の）ＭＯＳＦＥＴとして、特に（複数の）ｎチャネルＭＯＳＦＥＴとして構成される。
【0010】
請求項３で請求される装置は、高い信頼性と簡単な設計を保証する。電子スイッチは、関連する寄生ボディダイオードを有する少なくとも１つの電子切替素子を有する。整流器の操作を開始すると、寄生ボディダイオードは制御装置に電気エネルギーを供給するために使用される。この目的のために、制御装置の供給回路が整流器に接続され、それにより、コイル、コンデンサーの１つ、供給回路及び寄生ボディダイオードが、入力端子に接続したエネルギー取得機と共にループを形成する。このループを介して、すなわち寄生ボディダイオードを介して、供給回路は、入力端子に印加される電圧及び／又はガルバニックエネルギー貯蔵装置の電圧によって充電され、それで供給電圧が制御信号を生成するために供給回路によって与えられる。供給回路は特に、出力端子の１つと電子切替素子の端子に接続される。好ましくは、供給回路は、第２出力端子とＭＯＳＦＥＴとして構成された電子切替素子のソース端子に接続される。電子切替素子のドレイン端子は好ましくは、第２入力端子に接続される。
【0011】
請求項４で請求される装置は、高い信頼性と高い効率性を保証する。電子切替素子は、直列接続しており、寄生ボディダイオードが反対の阻止方向を有するように背面配置を有する。したがって、電子切替素子の配置により、少なくとも１つのボディダイオードが、印加される負電圧の場合と印加される正電圧の場合の両方で遮断する。よって、寄生電流及びそれにより引き起こされる損失が回避される。好ましくは、直列接続した電子切替素子の間の接続は制御装置の基準電位（接地）を形成し、それにより電子切替素子は定められた基準電位のために容易に作動できる。電子切替素子は好ましくは、ソース端子に接続したＭＯＳＦＥＴとして構成され、それらはこのようにして直列に接続される。ソース端子は好ましくは、制御装置の供給回路に接続され、それにより構成されるノードが基準ノードを形成し、基準電位（接地）に接続される。電子切替素子の直列接続部は特にコイル及び第２入力端子に接続される。第２入力端子に接続される電子切替素子のボディダイオードは特に、第２入力端子に接続される順方向を有する。
【0012】
請求項５で請求される装置は、簡単且つコンパクトな設計と効率的なエネルギー取得を保証する。正電圧が入力端子に印加される場合、コイル、第１コンデンサー及び第１阻止要素は第２切替状態において第１ループを形成し、それで第１切替状態においてコイルに蓄えられたエネルギーがコイルから第１コンデンサーに伝達される。第２切替状態では、第１阻止要素は、コイルからの電流の第１コンデンサーへの流れを可能にする。
【0013】
請求項６で請求される装置は、簡単且つコンパクトな設計と効率的なエネルギー取得を保証する。負電圧が入力端子に印加される場合、コイル、第２コンデンサー及び第２阻止要素は第２切替状態において第２ループを形成し、それで第１切替状態においてコイルに蓄えられたエネルギーがコイルから第２コンデンサーに伝達される。第２切替状態では、第２阻止要素は、コイルからの電流の第２コンデンサーへの流れを可能にする。
【0014】
請求項７で請求される装置は、簡単且つコンパクトな設計を保証する。第１阻止要素及び第２阻止要素は、コイルに関して異なる順方向又は異なる阻止方向を有するので、整流器は、第１充電回路と第２充電回路の間で簡単に切り替えられる。開いた電子スイッチの場合、電流流れが、コイル、第１阻止要素及び第１コンデンサーを有する第１ループを介して又はコイル、第２阻止要素及び第２コンデンサーを有する第２ループを介して、阻止要素によって生じる。阻止要素は好ましくはダイオードとして構成される。第１阻止要素は特に、第１入力端子及び第１出力端子に接続され、コイルから第１コンデンサーへの電流流れを可能にする。第２阻止要素は特に、第１入力端子及び第２出力端子に接続され、コイルから第２コンデンサーへの電流流れを可能にする。
【0015】
請求項８で請求される装置は、効率的なエネルギー取得を保証する。入力端子に印加される電圧が極めて小さい場合でも比較的高い出力電圧が出力端子で調達されるように、正電圧が入力端子に印加される場合、第１コンデンサーが充電され、負電圧が入力端子に印加される場合、第２コンデンサーが充電される。
【0016】
請求項９で請求される装置は、簡単且つコンパクトな設計を保証する。エネルギー取得機は入力端子に接続され、それら端子に電圧又は入力電圧を供給する。出力電圧は出力端子に供給され、それを介して負荷（load）が操作される。正に１つのコイル又は唯一のコイル、電子スイッチ及びコンデンサーが接続した中央充電回路ノードは、第１切替状態におけるコイルへの電気エネルギーの貯蔵と、次の第２切替状態でのコイルに蓄えられた電気エネルギーのコンデンサーの１つへの充電を簡単な方法で可能にする。切替状態間の切り替えは電子スイッチにより行われる。正電圧が印加される場合の第１充電回路と負電圧が印加される場合の第２充電回路の選択が、阻止要素により行われる。阻止要素がダイオードとして構成される場合、当該選択は特に自動的に行われる。
【0017】
請求項１０で請求される装置は、効率的で確実なエネルギー取得を保証する。ガルバニックエネルギー貯蔵装置はコンデンサーにより充電され、取得された電気エネルギーを貯蔵する。よって、コンデンサーが充電されなくても、当該装置は、ガルバニックエネルギー貯蔵装置により出力電圧を出力端子に供給する。さらに、出力電圧はガルバニックエネルギー貯蔵装置により安定化される。ガルバニックエネルギー貯蔵装置は好ましくは出力端子に接続する。負荷によって必要とされない電気エネルギーがガルバニックエネルギー貯蔵装置に貯蔵又は一時的に貯蔵されるので、取得されたエネルギーは簡単且つ効率的に使用される。
【0018】
請求項１１で請求される装置は、確実なエネルギー取得を保証する。電圧コントローラが出力端子に接続しているので、比較的に一定の電圧が負荷に提供される。ガルバニックエネルギー貯蔵装置が出力端子に接続していない場合、電圧コントローラは特に有利である。出力端子での出力電圧はコンデンサーの変化する充電状態のために変動するので、電圧コントローラは出力電圧を安定化させるのに有利である。電圧コントローラは特にＤＣ－ＤＣコンバータを有し、それにより出力側電圧が制御される。この理由のために、ＤＣ－ＤＣコンバータは、出力側電圧を設定電圧と比較する電圧制御回路の一部であり、電圧制御回路は、設定電圧と出力側電圧の間の電圧差を、電圧差を補正するためにＤＣ－ＤＣコンバータを作動させるコントローラに供給する。コントローラは例えばＰＩＤコントローラとして構成される。
【0019】
請求項１で請求される装置は、確実で効率的なエネルギー取得を保証する。供給回路により、制御回路は供給電圧を確実に提供する。供給回路は特に、供給電圧ができるだけ一定であるように設計される。供給回路は好ましくは出力端子の１つに接続し、電子スイッチに接続する。供給回路は特に第２出力端子に接続し、電子スイッチの２つの電子切替素子の接続部に接続している。それにより形成されるノードは基準ノードとして機能し、制御回路のために基準電位を提供する。供給電圧は制御回路のために入力電圧として機能する。いわゆる最大出力追従制御（ＭＰＰＴ）が生じて、それによりエネルギー取得が最適化され又は最大化されるように、制御回路は構成される。この目的のために、入力端子での入力インピーダンスが本質的にエネルギー取得機の内部抵抗に一致し、また入力端子での電圧及び関連する電流が本質的に一致するように入力インピーダンスが本質的に純粋にオームになるように、制御回路はデューティーサイクルＤに適合する。
【0020】
請求項１で請求される装置は、確実で効率的なエネルギー取得を簡単に保証する。少なくとも１つのチャージポンプが、制御回路のための供給電圧を提供するために機能する供給回路を形成する。好ましくは、整流器がガルバニックエネルギー貯蔵装置を有する場合、制御装置は正に１つのチャージポンプを有する。チャージポンプは特に単段形に構成される。好ましくは、整流器がガルバニックエネルギー貯蔵装置を有しない場合、制御装置が正に２つのチャージポンプを有する。正に２つのチャージポンプは特に予備チャージポンプとして及び主チャージポンプとして構成され、予備チャージポンプは主チャージポンプの開始動作のために機能する。
【0021】
請求項１で請求される装置は、簡単な設計と確実で効率的なエネルギー取得を保証する。チャージポンプは特に単段形に構成される。好ましくは、チャージポンプは正に１つのダイオード及び正に１つのコンデンサーを有する。好ましくは、ダイオードは第２出力端子とコンデンサーに接続し、コンデンサーは、電子スイッチの２つの電子切替素子の間に構成された基準ノードに接続している。基準ノードは特に、制御スイッチのために基準電位を有する。ダイオードは、第２出力端子から基準ノードへの電流流れを可能にする。整流器がガルバニックエネルギー貯蔵装置を有しない場合、チャージポンプは特に主チャージポンプを形成する。
【0022】
請求項１で請求される装置は、簡単な設計と確実で効率的なエネルギー取得を保証する。入力端子に接続したエネルギー貯蔵装置と共に、チャージポンプ、コイル、コンデンサーの１つ及び電子切替素子の１つのボディダイオードが、電圧が入力端子にかかった時にチャージポンプの開始動作を可能にするループを形成する。チャージポンプの開始動作によって、電子スイッチ又は電子切替素子の作動を可能とする供給電圧が提供される。結局、装置は簡単且つ確実に作動され得る。好ましくは、ノードは、制御信号を生成する制御回路のために基準電位を有する基準ノードを形成する。好ましくは、チャージポンプは第２入力端子に接続され、電子切替素子はコイル及び第２入力端子に接続されている。整流器がガルバニックエネルギー貯蔵装置を有しない場合、チャージポンプは主チャージポンプを形成する。
【0023】
請求項１２で請求される装置は、簡単な設計と確実で効率的なエネルギー取得を保証する。チャージポンプは、制御装置の確実な開始操作と、電子スイッチを制御するために制御信号の確実な生成を可能にする。チャージポンプは特に、主チャージポンプの開始操作と供給電圧の提供を可能にする予備チャージポンプを形成する。整流器がガルバニックエネルギー貯蔵装置を有しないと、チャージポンプは特に有利である。
【0024】
請求項１３で請求される装置は、確実で効率的なエネルギー取得を保証する。予備チャージポンプは、電子スイッチの作動のために供給電圧を提供する主チャージポンプを開始操作させるために使用される。予備チャージポンプは特に、受動の単段形のビラードチャージポンプとして構成される。主チャージポンプは好ましくは単段形に構成され、ダイオード及びコンデンサーから作られる直列回路を有する。予備チャージポンプによって主チャージポンプのコンデンサーが充電されるように、予備チャージポンプは主チャージポンプに接続している。この目的のために、予備チャージポンプは特に、主チャージポンプのダイオードとコンデンサーの間に構成された第１ノードに接続される。
【0025】
請求項１２で請求される装置は、簡単な設計と確実で効率的なエネルギー取得を保証する。チャージポンプは受動の単段形のビラードチャージポンプとして構成される。チャージポンプは特に、主チャージポンプと接続した予備チャージポンプを形成する。この目的のために、第４ダイオードが第１ダイオードと第３コンデンサーの間の接続部に、すなわち第１ノードに接続している。負電圧が印加される場合、第２ダイオードによって第４コンデンサーが充電される。この目的のために、第２ダイオードは第２入力端子から第１入力端子への電流流れを可能にする。入力端子に正電圧が印加される場合、第４コンデンサーは第３ダイオードを介して放電され、第５コンデンサーが充電される。この目的のために、第３ダイオードは第２ノードから第３ノードへの電流流れを可能にする。第５コンデンサーの充電によって、第３ノードでの電圧は、入力端子での最大電圧の２倍に基本的に等しい。第３コンデンサーが供給電圧を提供するように、主チャージポンプの第３コンデンサーは第４ダイオードを介して充電される。この目的のために、第４ダイオードは第５コンデンサーから第３コンデンサーへの電流流れを可能にする。
【0026】
請求項１４で請求される装置は、簡単な設計と確実なエネルギー取得を保証する。オーム抵抗は、供給回路の開始操作と、それゆえに制御回路による電子スイッチの作動のための供給電圧の提供を単純化する。供給回路の開始操作の際に第２コンデンサーが充電されるように、供給回路は第２入力端子に接続される。整流器がガルバニックエネルギー貯蔵装置を有する場合、ガルバニックエネルギー貯蔵装置の電圧は主に第１コンデンサーに印加されるのに対し、第２コンデンサーにかかる電圧は低い。オーム抵抗により、第１コンデンサーの電圧と第２コンデンサーの電圧の差が減少し、それにより供給回路と制御回路が確実に作動され得る。損失を防止するために、オーム抵抗は好ましくは高抵抗を有するように選択される。
【0027】
請求項１で請求される装置は、正電圧が入力端子に印加される場合に効率的で確実なエネルギー取得を保証する。電子切替素子は、第１切替状態と次の第２切替状態の間で切り替えるために使用される。第１切替状態では、入力端子に印加される正電圧によって電気エネルギーがコイルに蓄えられる。この目的のために、電子切替素子は第１切替状態において閉じられている。次の第２切替状態では、蓄えられた電気エネルギーにより第１コンデンサーが充電される。電子切替素子は同期して作動される。第１切替シーケンスが期間Ｔｓにわたって及ぶ。期間Ｔｓのために以下が当てはまる：Ｔｓ＝１／ｆｓ、ｆｓは制御装置の切り替え周波数を示す。第１切替状態は継続期間Ｄ・Ｔｓを有し、第２切替状態は（１－Ｄ）・Ｔｓの継続期間を有し、ここでＤはデューティーサイクルを示す。デューティーサイクルＤにより、入力インピーダンスが好ましくは入力端子で設定される。デューティーサイクルＤは、第１切替状態の継続期間の、切替状態の継続期間全体に対する、すなわち期間Ｔｓに対する比を示す。
【0028】
請求項１で請求される装置は、負電圧が入力端子に印加される場合に効率的で確実なエネルギー取得を保証する。電子切替素子は、第１切替状態と次の第２切替状態の間で切り替えるために使用される。第１切替状態では、入力端子に印加される負電圧によって電気エネルギーがコイルに蓄えられる。この目的のために、電子切替素子は第１切替状態において閉じられている。次の第２切替状態では、蓄えられた電気エネルギーにより第２コンデンサーが充電される。電子切替素子は同期して作動される。第１切替シーケンスが期間Ｔｓにわたって続く。期間Ｔｓのために以下が当てはまる：Ｔｓ＝１／ｆｓ、ここでｆｓは制御装置の切り替え周波数を示す。第１切替状態は継続期間Ｄ・Ｔｓを有し、第２切替状態は（１－Ｄ）・Ｔｓの継続期間を有し、ここでＤはデューティーサイクルを示す。デューティーサイクルＤにより、入力インピーダンスが好ましくは入力端子で設定される。デューティーサイクルＤは、第１切替状態の継続期間の、切替状態の継続期間全体に対する、すなわち期間Ｔｓに対する比を示す。
【0029】
請求項１５で請求される装置は、効率的で確実なエネルギー取得を保証する。制御回路はいわゆる最大出力追従制御（ＭＰＰＴ）を、それゆえ取得された電気エネルギーの最適化又は最大化を容易に可能にする。比較器により、制御されたパルス幅変調（開ループパルス幅変調）が実現される。第１比較器及び／又は第２比較器は、供給回路により提供される供給電圧によって作動される。入力インピーダンスがエネルギー取得機の内部抵抗に基本的に一致するように、のこぎり波状電圧の生成及びのこぎり波状電圧による制御信号の生成が、オーム抵抗の及び／又は比較器のコンデンサーの適切な選択により簡単に調節できる。入力端子における入力インピーダンスはデューティーサイクルＤによって調節可能である。デューティーサイクルＤは、第１切替状態の継続期間の、切替状態の継続期間全体に対する、すなわち期間Ｔｓに対する比を示す。第２比較器は、のこぎり波状電圧を、特に供給電圧が印加される分圧器によって提供される比較電圧と比較する。分圧器は好ましくは純粋にオームであるように（ohmic）構成され、２つのオーム抵抗を有する。
【0030】
請求項１６で請求される装置は、効率的なエネルギー取得を保証する。取得された電気エネルギーが最適化又は最大化されるように、入力インピーダンスはエネルギー取得機のインピーダンス又は内部抵抗に適合・調節される。言い換えれば、入力端子に印加される電圧と関連する電流が基本的に一致するように、入力インピーダンスは調節される。その結果、最大出力追従制御（ＭＰＰＴ）が生じる。入力インピーダンスはデューティーサイクルＤによって設定される。デューティーサイクルＤは、第１切替状態の継続期間の、第１切替状態及び次の第２切替状態の継続期間全体に対する、すなわち期間Ｔｓに対する比を示す。
【0031】
本発明の目的はさらに、電気エネルギーの取得を効率的且つ確実に可能にする、簡単且つコンパクトに設計されたエネルギー発生器を提供することである。エネルギー発生器は特に、ミリボルト範囲の極めて低い電圧から電気エネルギーの効率的な取得を可能にすることを意図している。
【0032】
この目的は、請求項１７の特徴を有するエネルギー発生器によって達成される。エネルギー発生器の利点は、電気エネルギーを取得する本発明に従う装置の前述した利点に一致する。エネルギー取得機は例えば、圧電エネルギー取得機又は圧電発電機及び／又は電磁エネルギー取得機である。好ましくは、エネルギー取得機は電磁エネルギー取得機（ＥＭＥＨ）である。電磁エネルギー取得機は、比較的大量の電気エネルギーを提供する。電磁エネルギー取得機の比較的低い電圧は、本発明に従う装置に対して不都合を示さない。
【0033】
本発明の付加的な特徴、利点及び詳細は幾つかの例示の実施形態の以下の記載から明らかになろう。以下に図面が描かれる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】ガルバニックエネルギー貯蔵装置を有する第１例示実施形態に従うエネルギー発生器の概略表現を描く図である。
【図2】エネルギー取得機により提供される電圧の時間プロフィールと、エネルギー発生器の第１切替状態と第２切替状態の間で切り替えるための制御装置により生成される制御信号を描く図である。
【図3】エネルギー発生器の電子スイッチのための制御信号を生成する制御回路の概略表現を描く図である。
【図4】制御回路のための供給電圧を提供する供給回路の操作の開始の際のエネルギー発生器の等価回路図を描く図である。
【図5】エネルギー取得機が正電圧を与える場合の、第１切替状態におけるエネルギー発生器の等価回路図を描く図である。
【図7】エネルギー取得機が負電圧を与える場合の、第１切替状態におけるエネルギー発生器の等価回路図を描く図である。
【図9】ガルバニックエネルギー貯蔵装置を有しない第２例示実施形態に従うエネルギー発生器の概略表現を描く図である。
【図11】第２充電状態における供給回路の回路図を描く図である。
【図12】第３充電状態における供給回路の回路図を描く図である。
【発明を実施するための形態】
【0035】
本発明の第１例示実施形態を図１～８の援助により以下に記載する。エネルギー発生器１が、エネルギー取得機２と電気エネルギーを取得する装置３を有する。エネルギー取得機２は既知であり、一般的な態様で構成されている。エネルギー取得機２は、エネルギー獲得機とも呼ばれる。装置３は、エネルギー取得機２により供給される電気エネルギーを利用する又は取得するために使用される。この目的のために、エネルギー取得機２は、装置３の第１入力端子４及び第２入力端子５に接続している。エネルギー発生器１は、負荷６に電気エネルギーを供給するために使用される。この目的のために、負荷６は、装置３の第１出力端子７及び第２出力端子８に接続している。エネルギー取得機２は、ＥＨ－ＧＮＤ（エネルギー取得機ＧＮＤ）とも呼ばれる基準電位を有する入力端子５に接続している。
【0036】
エネルギー取得機２は、交流極性（ＡＣ電圧）を有する電圧ｖｈを与える。時間ｔに対する電圧ｖｈが例として図２に描かれている。正の極性を有する電圧ｖｈの部分は以下ではｖｈｐにより示し、負の極性を有する電圧の部分はｖｈｎにより示す。
【0037】
装置３は、整流器９及び関連する制御装置１０を有する。整流器９は、入力端子４，５に印加されるエネルギー取得機２の正電圧ｖｈｐからエネルギーを取得するために使用される第１充電回路１１を形成する。さらに、整流器９は、入力端子４，５に印加されるエネルギー取得機２の負電圧ｖｈｎからエネルギーを取得するために使用される第２充電回路１２を形成する。
【0038】
第１充電回路１１は、電子スイッチ１３、コイルＬ、第１コンデンサーＣｐ及び第１阻止要素Ｄｐを有する。他方で、第２充電回路１２は、電子スイッチ１３、コイルＬ、第２コンデンサーＣｎ及び第２阻止要素Ｄｎを有する。
【0039】
コイルＬは、第１入力端子４及び充電回路ノードＫに接続している。コイルＬ及び電子スイッチ１３が入力端子４，５の間で直列に接続されるように、電子スイッチ１３は、充電回路ノードＫ及び第２入力端子５に接続している。第１コンデンサーＣｐは充電回路ノードＫ及び第１出力端子７に接続している。さらに、第１阻止要素Ｄｐが第１出力端子７から第１入力端子４への電流流れを可能にするように、第１阻止要素Ｄｐは第１入力端子４及び第１出力端子７に接続している。第１阻止要素Ｄｐはダイオードとして構成される。それゆえ、コイルＬ、第１コンデンサーＣｐ及び第１阻止要素Ｄｐは第１ループＭｐ２を形成する。第２コンデンサーＣｎは、充電回路ノードＫ及び第２出力端子８に接続している。さらに、第２阻止要素Ｄｎが第１入力端子４から第２出力端子８への電流流れを可能にするように、第２阻止要素Ｄｎは第１入力端子４及び第２出力端子８に接続している。第２阻止要素Ｄｎはダイオードとして構成される。それゆえ、コイルＬ、第２阻止要素Ｄｎ及び第２コンデンサーＣｎは第２ループＭｎ２を形成する。したがって、阻止要素Ｄｐ及びＤｎはコイルＬに関して反対の順方向を有し、それでコイルＬを貫流する電流はループＭｐ２及びＭｎ２において反対である。
【0040】
さらに、整流器９は、再充電可能なガルバニックエネルギー貯蔵装置１４を有する。ガルバニックエネルギー貯蔵装置１４は、第１出力端子７と第２出力端子８に接続している。この目的のために、ガルバニックエネルギー貯蔵装置１４の負端子が第１出力端子７に接続し、正端子が第２出力端子８に接続している。出力電圧Ｅｂが出力端子７，８に提供される。
【0041】
電子スイッチ１３は、第１電子切替素子Ｑ１及び第２電子切替素子Ｑ２で作られた直列回路として構成される。電子切替素子Ｑ１及びＱ２はそれぞれ、ノーマルオフｎチャネルＭＯＳＦＥＴとして構成される。第１電子切替素子Ｑ１のソース端子Ｓ１が基準ノードＫ０に接続している。基準ノードＫ０は、制御装置１０の基準電位（制御回路ＧＮＤ）を定める。第１電子切替素子Ｑ１のドレイン端子Ｄ１が第２入力端子５に接続している。さらに、第２電子切替素子Ｑ２のソース端子Ｓ１が基準ノードＫ０に接続している。第２電子切替素子Ｑ２のドレイン端子Ｄ２が充電回路ノードＫに接続している。切替素子Ｑ１及びＱ２がスイッチオンされると、正の制御電圧又は制御信号ｇ１及びｇ２を保証する基準ノードＫ０の基準電位は、関連するソース端子Ｓ１及びＳ２に関して切替素子Ｑ１及びＱ２のゲート端子Ｇ１，Ｇ２に適用され、切替素子Ｑ１及びＱ２がスイッチオフされると、負の制御電圧又は制御信号ｇ１及びｇ２が適用される。
【0042】
第１寄生ボディダイオードＦ１が第１切替素子Ｑ１と並列に構成されている。第１ソース端子Ｓ１の方向の電流流れが阻止されるように、第１寄生ボディダイオードＦ１はソース端子Ｓ１及びドレイン端子Ｄ１に対して構成されている。対応的に、第２寄生ボディダイオードＦ２が第２切替素子Ｑ２と並列に構成されている。第２ソース端子Ｓ２の方向の電流流れが阻止されるように、第２ボディダイオードＦ２は第２ソース端子Ｓ２及びドレイン端子Ｄ２に対して構成されている。ボディダイオードＦ１，Ｆ２はしたがって、反対の阻止方向を有する。切替素子Ｑ１及びＱ２の前述した背面配置により、電子スイッチ１３に印加される正電圧の場合と負電圧の場合の両方で、ボディダイオードＦ１又はＦ２の少なくとも１つが阻止することが保証される。結局、寄生電流及びその結果生じる損失が回避される。
【0043】
制御装置１０は電子スイッチ１３を作動させるのに使用される。制御装置１０は、制御信号ｇ１及びｇ２を生成する制御回路１５と、制御回路１５のための供給電圧ｖｃｃを供給する供給回路１６とを有する。制御信号ｇ１，ｇ２は制御電圧である。
【0044】
供給回路１６は、ダイオードＤｃｃ及びコンデンサーＣｃｃを有するチャージポンプ１７を有する。ダイオードＤｃｃは、第２出力端子８及び第１ノードｋ１に接続している。ダイオードＤｃｃは、第２出力端子８から第１ノードｋ１への電流流れを可能にする。ダイオードＤｃｃとコンデンサーＣｃｃが直列に接続されるように、コンデンサーＣｃｃは第１ノードｋ１及び基準ノードＫ０に接続している。チャージポンプ１７は単段形に構成される。供給電圧ｖｃｃは、コンデンサーＣｃｃを横断して、すなわちノードｋ１と基準ノードＫ０の間に印加される。
【0045】
さらに供給回路１６は、第１コンデンサーＣｐと並列に接続した、充電回路ノードＫ及び第１出力端子７に接続したオーム抵抗Ｒｂを有する。
【0046】
例えば、以下の値が整流器９及び供給回路１６に当てはまる。
コイルＬのインダクタンス ３３μＨ
第１コンデンサーＣｐのキャパシタンス １０μＦ
第２コンデンサーＣｎのキャパシタンス １０μＦ
コンデンサーＣｃｃのキャパシタンス ０．３μＦ
オーム抵抗Ｒｂの値 ４５ｋΩ
コイルＬのインダクタンス ３３μＨ
第１コンデンサーＣｐのキャパシタンス １０μＦ
第２コンデンサーＣｎのキャパシタンス １０μＦ
コンデンサーＣｃｃのキャパシタンス ０．３μＦ
オーム抵抗Ｒｂの値 ４５ｋΩ
【0047】
制御回路１５は、のこぎり波状電圧ｖｓを生成する第１比較器１８と、電子切替素子Ｑ１，Ｑ２を作動させるための制御信号ｇ１，ｇ２を生成する第２比較器１９を有する。比較器１８，１９によって、制御されたパルス幅変調（開ループパルス幅変調）が実現される。
【0048】
第１比較器１８は、作動電圧として供給電圧ｖｃｃと基準ノードＫ０の基準電位を有する演算増幅器２０を有する。第１オーム抵抗Ｒ１及び第２オーム抵抗Ｒ２から作られた分圧器がノードＫ１に接続している。第１オーム抵抗Ｒ１は基準ノードＫ０に接続しているのに対し、第２オーム抵抗Ｒ２はノードＫ１に接続している。電圧ｖｘが、オーム抵抗Ｒ１とＲ２の間のノードｎ１で得られ、演算増幅器２０の非反転入力（プラス入力）に供給される。ノードｎ１はしたがって、非反転入力に接続している。演算増幅器２０の出力が、第３オーム抵抗Ｒ３を介して演算増幅器２０の反転入力（マイナス入力）に接続している。さらに、当該出力は、オーム抵抗Ｒ４を介して演算増幅器２０の非反転入力に接続している。コンデンサーＣ１が、演算増幅器２０の反転入力及び基準ノードＫ０に接続している。のこぎり波状電圧ｖｓはコンデンサーＣ１に印加される。ゆえに、第３オーム抵抗Ｒ３とコンデンサーＣ１の接続部が、のこぎり波状電圧ｖｓが供給されるノードｎ２を定める。
【0049】
第２比較器１９は、のこぎり波状電圧ｖｓを比較電圧ｖｙと比較するために使用される。この目的のために、第２比較器１９は演算増幅器２１を有する。演算増幅器２１は、作動電圧として供給電圧ｖｃｃと基準ノードＫ０での基準電位を有する。第２比較器１９は、オーム抵抗Ｒ５及びオーム抵抗Ｒ６から作られた分圧器を有する。当該分圧器は、基準ノードＫ０とノードＫ１に接続している。この目的のために、オーム抵抗Ｒ５が基準ノードＫ０に接続しているのに対し、オーム抵抗Ｒ６はノードＫ１に接続している。比較電圧ｖｙはオーム抵抗Ｒ５及びＲ６の間で取り出される。この目的のために、オーム抵抗Ｒ５とＲ６の間のノードｎ３が、演算増幅器２１の非反転入力（プラス入力）に接続している。よって、比較電圧ｖｙはオーム抵抗Ｒ５にわたって、すなわちノードｋ３と基準ノードＫ０の間に印加される。ノードｎ２は、演算増幅器２１の反転入力（マイナス入力）に接続している。制御信号ｇ１，ｇ２が、演算増幅器２１の出力で提供される。制御信号ｇ１，ｇ２は、切替素子Ｑ１，Ｑ２のゲート端子Ｇ１，Ｇ２に適用される。
【0050】
正電圧ｖｈｐが印加された場合に、第１切替状態Ｚ１ｐと次の第２切替状態Ｚ２ｐを有する第１切替シーケンスが実現されるように、制御装置１０は構成される。第１切替状態に対して、以下が当てはまる。
【0051】
【表1】
【0052】
【0053】
さらに、負電圧ｖｈｎが印加された場合に、第１切替状態Ｚ１ｎと次の第２切替状態Ｚ２ｎを有する第２切替シーケンスが実現されるように、制御装置１０は構成される。第２切替状態に対して、以下が当てはまる。
【0054】
【表2】
【0055】
【0056】
第１切替シーケンスと第２切替シーケンスはそれぞれ、期間Ｔｓの間存在する。以下の事が期間Ｔｓに当てはまる：Ｔｓ＝１／ｆｓ、ここでｆｓは制御装置１０の切替周波数を示す。それぞれの第１切替状態Ｚ１ｐ又はＺ１ｎは継続期間Ｄ・Ｔｓを有し、それぞれの関連する第２切替状態Ｚ２ｐ又はＺ２ｎは継続期間（１－Ｄ）・Ｔｓを有し、ここでＤはデューティーサイクルを示す。
【0057】
エネルギー発生器１の機能は以下の通りである。
【0058】
まず、供給回路１６が作動され、供給電圧ｖｃｃを生成し、それを制御回路１５に提供する。これは図４に示される。十分な供給電圧ｖｃｃを生成するために、供給回路１６は、エネルギー取得機２、コイルＬ及び第２コンデンサーＣｎを使用する単段形のチャージポンプ１７に基づく。図４に記されたループＭ０によれば、以下の事が供給電圧ｖｃｃに当てはまる。
【0059】
ｖｃｃ＝ｖｃｎ＋ｖＬ＋ｖｈｍａｘ－２・ＶＤ＝Ｅｂ＋ｖｈｍａｘ－２・ＶＤ （１）
【0060】
ここで、Ｅｂはエネルギー取得機２の最大電圧を示し、ｖＬはコイルＬにかかる電圧を示し、ｖｃｎは第２コンデンサーＣｎにかかる電圧を示し、ＶＤはダイオードＤｃｃ及びＦ１にかかる電圧を示す。十分な供給電圧ｖｃｃが提供されるように、コンデンサーＣｃｃはエネルギー取得機２の電圧ｖｈにより充電される。オーム抵抗Ｒｂは、電圧ＥｂがコンデンサーＣｐ及びＣｎにわたって分配されることを保証し、コンデンサーＣｐへの電圧Ｅｂの基本的に完全な印加を防止する。結局、供給回路１６の確実な開始操作（スイッチオン）が保証され、コンデンサーＣｐの過負荷が回避される。オーム抵抗Ｒｂにより生じる損失が小さくなるように、オーム抵抗Ｒｂは高い抵抗を有するように選択される。
【0061】
十分な供給電圧ｖｃｃを提供すると、制御回路１５は、電子切替素子Ｑ１及びＱ２を作動させるための制御信号ｇ１，ｇ２又は制御電圧ｇ１，ｇ２を生成する。エネルギー取得機２は電圧ｖｈを生成し、そこから電流ｉｈが生じる。正電圧ｖｈｐが印加される場合、制御回路１５は第１切替シーケンスを実現する。まず、第１切替状態Ｚ１ｐにおいて、切替素子Ｑ１及びＱ２が同期してスイッチオンされ、それによりループＭｐ１において電流ｉｈがコイルＬを通って流れる。これは図５に示される。こうして第１切替状態Ｚ１ｐでは、電気エネルギーがコイルＬに蓄えられる。
【0062】
次の第２切替状態Ｚ２ｐでは、電子切替素子Ｑ１及びＱ２は開かれ、それによりコイルＬは貯蔵されたエネルギーを基に電流をループＭｐ２に流し、コンデンサーＣｐを充電する。電流ｉｐが、ダイオードとして構成される第１阻止要素Ｄｐを介してループＭｐ２に流れる。電圧ｖｃｐが第１コンデンサーＣｐに印加される。これは図６に示される。電圧ｖｃｐのために、ガルバニックエネルギー貯蔵装置１４を充電する電流ｉｂが流れる。
【0063】
負電圧ｖｈｎが印加される場合、制御回路１５は第２切替シーケンスを実現する。第１切替状態Ｚ１ｎにおいて、切替素子Ｑ１及びＱ２が同期してスイッチオンされ、それにより電流ｉｈがループＭｎ１においてコイルＬを通って流れ、電気エネルギーがコイルＬに蓄えられる。これは図７に示される。こうして第１切替状態Ｚ１ｎでは電気エネルギーがコイルＬに蓄えられる。
【0064】
次の第２切替状態Ｚ２ｎでは、電子切替素子Ｑ１及びＱ２は開かれ、それによりコイルＬは貯蔵されたエネルギーを基に電流をループＭｎ２に流し、コンデンサーＣｎを充電する。電流ｉｎが、ダイオードとして構成される第２阻止要素Ｄｎを介してループＭｎ２に流れる。電圧ｖｃｎが第２コンデンサーＣｎに印加される。これは図８に示される。電圧ｖｃｎのために、ガルバニックエネルギー貯蔵装置１４を充電する電流ｉｂが流れる。
【0065】
正電圧ｖｈｐが印加される場合と負電圧ｖｈｎが印加される場合のそれぞれにおいて単一のコイルＬが使用されるので、整流器９は簡単且つコンパクトに設計される。単一のコイルＬしか必要としないので、コストも低減される。充電回路１１及び１２によって一緒に使用されるコイルＬは整流器９の部分であるだけでなく、供給回路１６の操作を開始するためにも使用される。エネルギー取得機２の電圧ｖｈが１つのステップで整流されるので、電気エネルギーの取得が整流器９により最適化される。加えて、整流器９は、極めて低い電圧ｖｈからの電気エネルギーの取得を可能にする。電磁的に構成されるエネルギー取得機２は一般的に、１ｍＶ～１．２Ｖ、特に１０ｍＶ～７５０ｍＶ、特に５０ｍＶ～５００ｍＶの電圧を有する。
【0066】
入力端子４，５での入力インピーダンスＺｉｎがエネルギー取得機２に適合され、よって取得された電気エネルギーが最適化又は最大化されるように、制御装置１０は構成される。したがって、エネルギー発生器１又は装置３が、いわゆる最大出力追従制御（ＭＰＰＴ）を可能にする又は実現する。制御装置１０は、それに応じて最大出力追従制御機能を有する。電圧、電流の測定又はゼロ交差検波又は極性検出は、この目的のために必要でない。装置３は不連続伝導モード（ＤＣＭ）で作動され、エネルギー取得機２の観点から適合可能で純粋なオーミック素子である。装置３の入力インピーダンスＺｉｎ又は入力抵抗はエネルギー取得機２の内部抵抗に適合され、最大出力追従制御が実現される。装置３の入力インピーダンスＺｉｎに対して、以下が当てはまる。
【0067】
Ｚｉｎ＝２・ｆｓ・Ｌ０／Ｄ２ （２）
【0068】
ここで、Ｌ０はコイルＬのインダクタンス値を示し、ｆｓは切り替え周波数を示し、Ｄはデューティーサイクルを示す。入力インピーダンスＺｉｎはデューティーサイクルＤを介して設定される。
【0069】
背面配置のために、電子切替素子Ｑ１及びＱ２は同期して作動される。加えて、電子切替素子Ｑ１及びＱ２は、第１切替シーケンスでは、すなわち正電圧ｖｈｐが印加された場合、及び第２切替シーケンスでは、すなわち負電圧ｖｈｎが印加された場合、対応的に作動される。これは、電子切替素子Ｑ１及びＱ２がそれぞれの第１切替状態Ｚ１ｐ又はＺ１ｎで閉じられるのに対し、電子切替素子Ｑ１及びＱ２が関連する第２切替状態Ｚ２ｐ又はＺ２ｎで開いていることを意味する。基準ノードＫ０はソース端子Ｓ１及びＳ２に接続しているので、電子切替素子Ｑ１及びＱ２は制御回路１５によって簡単に直接作動される。
【0070】
入力インピーダンスＺｉｎの適合は制御回路１５の設計により行われる。比較器１８，１９により、制御されたパルス幅変調（開ループパルス幅変調）が実現される。第１比較器１８はオーム抵抗Ｒ３を介してコンデンサーＣ１を充電し、電圧ｖｘをコンデンサーＣ１にかかる電圧と比較し、それでコンデンサーＣ１にかかる電圧が電圧ｖｘより大きい場合にコンデンサーＣ１が放電される。結局、コンデンサーＣ１にわたって印加されるのこぎり波状電圧ｖｓが生じる。第２比較器１９はのこぎり波状電圧ｖｓを比較電圧ｖｙと比較し、制御信号ｇ１及びｇ２を生成する。のこぎり波状電圧ｖｓと比較電圧ｖｙの比較により入力インピーダンスＺｉｎが自動的に決定され、入力インピーダンスＺｉｎがデューティーサイクルＤによってエネルギー取得機２に適合されるように制御信号ｇ１及びｇ２が生成される。エネルギー取得機２は、７Ω～１３Ωの入力インピーダンスＺｉｎで基本的に最大エネルギー取得を可能にするので、効率的なエネルギー取得を保証するために、入力インピーダンスＺｉｎのエネルギー取得機２への正確な適合が必要でない。したがって、供給電圧ｖｃｃでの変動はエネルギー取得の効率に不利に影響を及ぼさない。デューティーサイクルＤ及び切り替え周波数ｆｓは例えば、オーム抵抗Ｒ６及びコンデンサーＣ１を介して設定されてもよい。
【0071】
制御信号ｇ１及びｇ２はしたがって時間に関して設定され、それによりそれぞれの第１切替状態Ｚ１ｐ又はＺ１ｎが期間Ｔｓに関して０＜ｔ＜Ｄ・Ｔｓの持続時間の間設定され、それぞれの第２切替状態Ｚ２ｐ又はＺ２ｎがＤ・Ｔｓ＜ｔ＜（１－Ｄ）・Ｔｓの持続時間の間設定される。
【0072】
電圧Ｅｂを提供するガルバニックエネルギー貯蔵装置１４は、電圧ｖｃｐ及びｖｃｎによって充電される。負荷６は電圧Ｅｂにより電気エネルギーを供給される。
【0073】
本発明の第２例示実施形態を図９～１２の援助により以下に記載する。第１例示実施形態とは異なり、整流器９はガルバニックエネルギー貯蔵装置を有しない。供給回路１６は、供給回路１６の操作を開始し供給電圧ｖｃｃを提供するために主チャージポンプ１７及び予備チャージポンプ２２を有する。第１例示実施形態に対応するオーム抵抗Ｒｂが必要でない。
【0074】
予備チャージポンプ２２は入力端子４，５に接続している。予備チャージポンプ２２は受動単段形のビラードチャージポンプとして構成される。第４コンデンサーＣｂ１が第１入力端子４及び第２ノードＫ２に接続している。ダイオードＤｂ１が第２入力端子５からノードＫ２への電流流れを可能にするように、第２ダイオードＤｂ１が第２入力端子５及び第２ノードＫ２に接続されている。第５コンデンサーＣｂ２が第２入力端子５及び第３ノードＫ３に接続している。第３ダイオードＤｂ２が第２ノードＫ２から第３ノードＫ３への電流流れを可能にするように、第３ダイオードＤｂ２が第２ノードＫ２及び第３ノードＫ３に接続されている。第４ダイオードＤｂ３が第３ノードｋ３から第１ノードＫ１及び基準ノードＫ０への電流流れを可能にするように、第４ダイオードＤｂ３が主チャージポンプ１７の第１ノードＫ１に接続されている。主チャージポンプ１７は、第１例示実施形態のチャージポンプ１７に対応して構成される。
【0075】
エネルギー発生器１は、ガルバニックエネルギー貯蔵装置無しで制御装置１０の開始操作（スイッチオン）を可能にする。この目的のために、予備チャージポンプ２２がまず作動され、主チャージポンプ１７が次いでそれにより作動される。励起後の少しのサイクルにおいて、エネルギー取得機２は一般に比較的高い電圧ｖｈを提供し、それはその後減衰のためにかなり減少される。予備チャージポンプ２２はこれらのサイクルの間作動される。負電圧ｖｈｎが印加される場合、コンデンサーＣｂ１はダイオードＤｂ１を介して充電される。この目的のために、充電電流ｉ１がダイオードＤｂ１を通ってコンデンサーＣｂ１に流れる。アクティブなループＭ１は図１０に示される。
【0076】
次に正電圧ｖｈｐが印加される場合、印加電圧ｖｂ１を有する充電されたコンデンサーＣｂ１及び電圧ｖｈｐを有するエネルギー取得機２は、ダイオードＤｂ２を介してコンデンサーＣｂ２を充電する。アクティブなループＭ１及びダイオードＤｂ２を流れる充電電流ｉ２は図１１に示される。電圧ｖｂ２に対して、以下の事が当てはまる。
【0077】
ｖｂ２＝２・ｖｈｍａｘ－２・ＶＤ （３）
【0078】
ここで、ｖｈｍａｘはエネルギー取得機２の最大電圧であり、ＶＤは閾電圧である。
【0079】
次いで、コンデンサーＣｃｃはダイオードＤｂ３を介して充電され、それにより制御回路１５は十分な供給電圧ｖｃｃを供給され、電子切替素子Ｑ１及びＱ２を作動させるための制御信号ｇ１及びｇ２を生成する。結局、整流器９は作動され、出力電圧Ｅｂが増大する。Ｅｂが電圧ｖｂ２より大きいとき、予備チャージポンプ２２は自動的に不活性化される。その時主チャージポンプ１７だけがアクティブである。主チャージポンプ１７だけがアクティブであるように、ダイオードＤｂ３は主チャージポンプ１７から予備チャージポンプ１７を切り離す。アクティブなループＭ３及び充電電流ｉ３は図１２に示される。電圧ｖｃｃのために、以下の事が当てはまる。
【0080】
ｖｃｃ＝ｖ０＋ｖｈｍａｘ－２・ＶＤ （４）
【0081】
ここで、ｖ０は入力端子８での電圧である。全てのダイオードは好ましくは、０．１～０．２Ｖの閾電圧ＶＤを有するショットキーダイオードとして構成される。
【0082】
電圧コントローラ２３が出力端子７，８に接続している。電圧コントローラ２３は電圧Ｅｂを安定化させるために使用され、制御された出力電圧Ｅ’ｂを出力端子７’，８’に与える。負荷６は出力端子７’，８’に接続している。コンデンサーＣｐ及びＣｎの変化する充電状態のために、出力端子７，８における電圧Ｅｂは変動する。電圧コントローラ２３は電圧Ｅｂを設定電圧Ｖｒｅｆと比較し、制御された電圧Ｅ’ｂを出力側に提供する。この目的のために、電圧コントローラ２３はＤＣ－ＤＣコンバータを有し、それにより出力側の電圧Ｅ’ｂが制御される。この目的のために、ＤＣ－ＤＣコンバータは、出力側の電圧Ｅ’ｂを設定電圧Ｖｒｅｆと比較する電圧制御回路の一部であり、電圧制御回路は、設定電圧Ｖｒｅｆと出力側の電圧Ｅ’ｂの間の電圧差を、電圧差を補正するためにＤＣ－ＤＣコンバータを作動させるコントローラに供給する。コントローラはＰＩＤコントローラとして構成される。
【0083】
エネルギー発生器１の別な設計及び別な機能性に関しては、第１例示実施形態を参照されたい。
【符号の説明】
【0084】
２ エネルギー取得機
３ 電気エネルギーを取得する装置
４ 第１入力端子
５ 第２入力端子
７ 第１出力端子
８ 第２出力端子
９ 整流器
１０ 制御装置
１１ 第１充電回路
１２ 第２充電回路
１３ 電子スイッチ
３ 電気エネルギーを取得する装置
４ 第１入力端子
５ 第２入力端子
７ 第１出力端子
８ 第２出力端子
９ 整流器
１０ 制御装置
１１ 第１充電回路
１２ 第２充電回路
１３ 電子スイッチ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】