用于无线传感器单元的改进的电源设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于传感器单元的电源设备的领域，其中所述传感器单元配备有无线通信系统，并且部分地由于能够在传感器单元的环境中恢复能量并从而产生电能的生成器(generator)而对所述传感器单元供应电能。
【背景技术】
[0002]在无线传感器的领域中，文献EP 2，395，594 Al提出一种可以通过在缓冲电容器中充电的电能供应传感器单元的电源设备。
[0003]该电源设备配备有光伏型的第一生成器，其可以在低照明到零照明的情况下由可充电电池形式的第二电化学生成器供应。
[0004]提供用于管理和控制可充电电池的充电的系统，以便使得传感器单元在长时间无照明之后也可操作。
[0005]可充电电池具有使用寿命有限且电荷容量减小的缺点。
[0006]文献US 7，132，757 B2提出一种用于向传感器供应能量的设备，其包括可以恢复被第一生成器变换为电能的机械能的该第一生成器、以及用于供应第一生成器的电化学生成器。电化学生成器为不可充电类型，并且具有电池的形式。
[0007]当由第一生成器产生的电能不足时，电路可以将电池直接连接到传感器。
[0008]此电路特别地具有作为电能的消耗装置(consumer)的缺点，并且当其包括微控制器时可能较昂贵。
[0009]此外，为了保护传感器的电源以防过电压，提供齐纳(Zener) 二极管。这样的二极管具有如下主要缺点:其具有几微安的量值(magnitude)的反向电流，该反向电流大大增加设备的电流消耗。
[0010]因此，存在创建适合于无线传感器单元的新的电源设备的问题，其中该新电源设备配备有可以恢复环境电能的第一生成器以及第二备用生成器，并且不具有前述缺点，特别在电能消耗方面以及在实施成本方面得到改进。
【发明内容】
[0011]本发明首先涉及用于向无线传感器单元供给(deliver)电源的电源设备，所述电源设备包括:
[0012]-生成电能的第一生成部件，被配置为恢复传感器单元的环境中的环境能，并根据所恢复的环境能而产生电能，
[0013]-第二生成部件，包括电池，以便供给意在供应第一生成部件所产生的电能的电會K，
[0014]-包括电容器的存储电能的存储部件，被布置为接收来自第一生成部件和/或来自第二生成部件的电能，并向传感器单元应用给定电源电平vDD，
[0015]电源设备包括用于管理电能的电路，被配置为将给定电源电平Vdd限制在下限Vminci与上限V Maxci之间。
[0016]所述电路包括单极晶体管并且当其栅极-源极电压为零时包括导体，与第一生成部件、第二生成部件和存储部件有关地布置单极晶体管，以使得具有取决于在第二生成部件所供给的电能与给定电源电平之间的差异的栅极-源极电压。
[0017]用于管理电能的电路具有像这样非常低的消耗，其特别有利于供应电能的供应取决于环境中能量的恢复的无线设备。
[0018]也可以提供单极晶体管的布置，以使得其漏极-源极电压取决于第一生成部件所产生的电能与给定电源电平之间的差异。
[0019]通过这种类型的晶体管，将电压Vdd维持在小于预定阈值Vmxa的电平，同时仍然限制电源设备的消耗。
[0020]晶体管的布置使得阈值￥?^1取决于电池所供给的预定的电压，并取决于所选择的电池、以及晶体管的预定的限制电压(Pinch voltage，或夹断电压)，并且还取决于所选择的晶体管。
[0021]根据第一实施例，以上定义的单极晶体管是JFET晶体管(结型场效应晶体管)。这样的晶体管具有如下优点:具有本征的栅极-源极结，其可以用于将电流在单个方向上从电池传递至存储电容器，同时仍然限制其返回电池。
[0022]根据第二实施例，以上定义的单极晶体管是损耗型MOSFET晶体管。
[0023]与更普遍使用的MOS增强型晶体管相反，对于晶体管JFET和损耗型M0SFET，当它们的栅极-源极电压为零时，它们具有导电沟道。
[0024]此外，根据本发明的电源设备还可以:
[0025]-利用与可充电电化学生成器有关的、电池的更长使用寿命、以及它们改善的电流容量和它们降低的价格；
[0026]-能够使用具有高内阻的电池(例如，按钮类型的)，这是由于能够提供电流峰值的存储电容器；
[0027]-能够为独立于待恢复的环境能量的可用性的传感器单元保证最小操作时间；
[0028]-需要小数目的组件，这使得可以特别在实施成本方面实现增益。
[0029]用于管理电能的电路还可以包括用于阻止电流返回至第二生成部件的部件，以便保护第二生成部件，同时仍然允许电流在相反方向上通过。
[0030]当以上定义的单极晶体管是JFET晶体管时，在其栅极与其沟道之间的本征结形成用于阻止电流返回到电池的部件。本征结也使得可以在电源电平Vdd较低时使用电池对存储电容器再充电。
[0031]在单极晶体管的栅极与源极之间布置的二极管也可以形成用于阻止电流返回至第二生成部件的部件。此二极管也使得可以在电源电平Vdd较低时使用电池对存储电容器再充电。
[0032]根据实施例，第二生成部件可以包括、或关联于用于例如以与电池串联的至少一个电阻器的形式，限制电池的放电电流的部件。
[0033]当单极晶体管是JFET晶体管时，可以提供用于例如以连接到晶体管的栅极的至少一个电阻器的形式，限制电流通过在JFET晶体管的栅极与沟道之间的本征结的部件。
[0034]根据实施例，电源设备还可以包括用于例如以至少一个二极管的形式限制电流返回至第一生成部件的部件。
[0035]根据电源设备的实施例，第一生成部件可以包括光伏模块。
[0036]本发明还提供了无线传感器单元，包括诸如以上定义的电源设备。
[0037]传感器单元可以像这样配备有待测量的至少一个物理量值的至少一个传感器、以及被提供用于进行无线通信(特别地，为了向外部设备发送与由传感器进行的测量有关的数据)的射频模块。
[0038]传感器单元也可以包括用于处理来自传感器的测量的(一个或多个)量值的测量数据并用于将此数据发送至RF模块的电路。
[0039]传感器电路可以有利地包括以下物理量值的传感器之中的一个或若干个传感器:湿度传感器、温度传感器、亮度传感器、气体传感器(特别是CO2)。
[0040]本发明还涉及提供使用如上定义的电源设备的无线传感器单元的方法。
【附图说明】
[0041 ] 在通过非限制示例而给出且在附图中所示的本发明的特定实施例的以下描述中，其它优点和特征将看起来更清楚，其中:
[0042]图1示出根据本发明的实施例实施的意在供应无线传感器的电源设备；
[0043]图2示出根据本发明的配备有包括N沟道JFET晶体管的用于管理电能的电路的电源设备的特定实施例；
[0044]图3示出根据本发明的实施例的能够由电源设备供给的电源电压的示例替代。
[0045]图4是根据本发明的替代电源设备，其配备有用于管理电能的电路，包括耗尽N型MOSFET晶体管；
[0046]图5示出根据本发明的电源设备的另一替代，其配备有用于管理电能的电路，包括P沟道JFET晶体管；
[0047]图6示出根据本发明的另一替代电源设备，其配备有用于管理电能的电路，包括P型耗尽型MOSFET晶体管。
【具体实施方式】
[0048]图1示出根据本发明的实施例的电源设备的图。
[0049]此电源设备具有供应包括一个或若干个传感器7并且可以配备有处理电路6和RF模块8