CH704071A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Last mit gepulster Spannung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Last mit gepulster Spannung, aufweisend eine Spannungsversorgung, an die der elektrische Verbraucher angeschlossenen ist, sowie einen steuerbaren Schalter (T) der so mit der Spannungsversorgung und dem elektrischen Verbraucher verschaltet ist, dass er in der Lage ist, den Stromfluss zu unterbrechen, wobei parallel zum steuerbaren Schalter (T) und zur elektrischen Last ein Element zur Speicherung elektrischer Energie, insbesondere ein Kondensator (C), angeordnet ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Last mit gepulster Spannung. Derartige Schaltungsanordnungen weisen eine Spannungsversorgung auf, an die der elektrische Verbraucher angeschlossenen ist sowie einen steuerbaren Schalter, der so mit der Spannungsversorgung und der elektrischen Last verschaltet ist, dass er in der Lage ist den Stromfluss zu unterbrechen. Die Erfindung betrifft ausserdem ein Verfahren zum Betreiben einer Last an einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung.

[0002] Abhängig von der Einschaltdauer des steuerbaren Schalters und Charakteristik des Verbrauchers stellt sich bei einer gegebenen Spannungsquelle ein bestimmter zeitlicher Verlauf des Stromes ein. Beispielsweise wird sich bei einem ohmschen Verbraucher und einem Akkumulator als Gleichstromquelle ein rechteckförmiger Spannungspuls mit einem sich hierzu in Phase befindlichen rechteckförmiger Stromverlauf einstellen.

[0003] Es ist bekannt elektrische Lasten mittels sogenannter Schaltregler, oft auch als Schaltnetzteile oder Wandler bezeichnet, elektrisch zu versorgen.

[0004] Es ist Aufgabe der Erfindung eine Alternative Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine Ansteuerung von elektrischen Lasten mit gepulster Spannung möglich macht. Hierbei soll ein möglichst effizienter Betriebs ermöglicht werden.

[0005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 parallel zum steuerbaren Schalter und zur elektrischen Last ein Kondensator angeordnet ist. Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung soll die Last mit Impulsen versorgt werden. Hierzu wird der steuerbare Schalter vorzugsweise regelmässig ein-und ausgeschaltet. Hierdurch wird der Last eine im Wesentlichen rechteckförmige Spannung zugeführt. Das heisst, dass der Last für eine erste Zeitspanne eine Spannung zugeführt wird und einer zweiten Zeitspanne, also einer Pulspause keine Spannung zugeführt wird. Die Einschaltzeit kann auch als Pulsweite bezeichnet werden. Durch die Spannungsversorgung in Pulsform ist es möglich, dass auch Verbraucher mit niedrigeren Nennspannungen an weit höheren Spannungen betrieben werden können. Dadurch, dass man die Pulsweite reduziert, reduziert man die im Mittel an der Last anliegende Spannung bzw. den durch die Last fliessende Strom und somit die von der Last aufgenommene Leistung. Um die angesprochene effiziente Betriebsweise zu realisieren muss die Last eine gewisses Mindestmass an Trägheit besitzen und die Pulsweite und die Pulspause entsprechend hierauf abgestimmt sein. Unter Trägheit ist hierbei zu verstehen, dass die Last in einem bestimmten durch die Zuführung von elektrischer Energie verursachten Zustand verharren möchte. Beispiele hierzu wären die Aufrechterhaltung der Drehbewegung infolge der Massenträgheit bei einem Elektromotor, die Selbstinduktion bei Induktivitäten, die einer schnelle Stromänderung bei Induktivitäten entgegnen wirkt, oder die Zeitdauer, die vergeht bis ein Heizstab seine Temperatur verändert. Positiven Effekte können aber auch auftreten, wenn beispielsweise die Trägheit des menschlichen Auges ausgenützt wird, dass wenn eine Lichtquelle mit hoher Pulsfrequenz ein-und ausgeschaltet wird, kann das Ein- und Ausschalten der Lichtquelle vom menschlichen Auge nicht mehr wahr genommen werden.

[0006] Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Insbesondere kann der steuerbare Schalter und die Last seriell miteinander verschaltet sein. Die Spannungsversorgung kann eine Gleichstromquelle in Form von Akkumulatoren oder Batterien insbesondere mit Ausgangsspannungen im Bereich von 12 - 24 Volt sein oder durch ein elektrisches Wechselspannungsnetz mit einer Spannung von 230 Volt effektiv gebildet sein, wobei die die Wechselspannung mittels eines Brückengleichrichters gleichgerichtet werden muss.

[0007] Vorzugsweise wird für den steuerbare Schalter ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor eingesetzt. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass auch andere Schaltelemente der Leistungselektronik, wie Thyristoren und dergleichen in alternativer Weise verwendet werden können.

[0008] Versuche des Anmelders haben gezeigt, dass die Schaltungsanordnung besonders effizient ist, wenn die die elektrische Last eine Lichtquelle in Form einer Glühlampe oder in Form einer Leuchtdiode ist. So konnte eine Lampe, die an einem 12 Volt Akkumulator im Dauerbetrieb nur 25 Minuten betrieben werden konnte, im Impulsbetrieb mit dem gleichen Akkumulator 65 Minuten betrieben werden. Ferner haben die Versuche des Anmelder gezeigt, dass den Fall dass als Last ein Elektromotor verwendet wird, diesem ein weiterer Kondensator parallel geschaltet werden kann, um die Effizienz weiter zu steigern. Natürlich kann als Last auch ein elektrisches Heizelement, beispielsweise in Form einer Heizspirale eingesetzt werden.

[0009] Für die Ansteuerung des steuerbaren Schalters kann ein astabiler Multivibrator in bekannter Weise verwendet werden.

[0010] Wesentlich beim erfindungsgemässen Verfahren zum Betreiben einer Last an einer Schaltungsanordnung in der Art der Erfindung ist, dass Pulsweite und Pulspause in Abhängigkeit von Charakteristik der Last einzustellen sind. Hierbei ist zu beachten, dass insbesondere die Pulspause im Verhältnis zur Pulsweite so zu wählen ist, dass die zuvor diskutierte Trägheit der Last dazu führt, dass einerseits die Effizienz gesteigert wird und andererseits die Pulspause, also der Zustand in dem die Last elektrisch gesehen unversorgt ist, den Betrieb nicht oder nur unwesentlich stört. Dementsprechend wird immer dann, wenn der steuerbare Schalter geschlossen ist, also während der Pulsweitenzeit eine Spannung an die Last angelegt, während immer dann, wenn der steuerbare Schalter geöffnet ist, also während der Pulspause, ein elektrisches Speicherelement, insbesondere einen Kondensator, aufgeladen wird.

[0011] Versuche des Anmelders haben gezeigt, dass gute Ergebnisse erreicht werden, wenn eine Lichtquelle, im konkreten Fall eine 50 Watt Glühlampe, an der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung betrieben wird, die an einer Gleichspannungsquelle mit 12 Volt angeschlossen ist, wenn für die die Pulsweite ein Einschaltzeit von 0,025 bis 0,035 Millisekunden und für die Pulspause eine Ausschaltzeit von 0,035 bis 0,040 Millisekunden gewählt wird.

[0012] Versuche des Anmelders haben ausserdem gezeigt, dass gute Ergebnisse erreicht werden, wenn ein Heizelement an der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung betrieben wird, die an einer Wechselspannungsquelle mit 230 Volt effektiv angeschlossen wird oder wenn eine Lichtquelle, im einem weiteren Fall eine 20 Watt Glühlampe, an der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung betrieben wird, die an einer Gleichspannungsquelle mit 12 Volt angeschlossen ist, wenn für die die Pulsweite ein Einschaltzeit von etwa 0,15 Millisekunden und für die Pulspause eine Ausschaltzeit von etwa 0,20 Millisekunden gewählt wird.

[0013] Die Abbildungen zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden erläutert werden.

[0014] Es zeigt: <tb>Fig. 1<sep>eine erfindungsgemässe Schaltung mit einer Lichtquelle als Last, <tb>Fig. 2<sep>eine erfindungsgemässe Schaltung mit eine Elektromotor als Last, <tb>Fig. 3<sep>eine schematische Darstellung des Stromverlaufs, <tb>Fig. 4<sep>eine erfindungsgemässe Schaltung mit einer Lichtquelle als Last mit einem Multivibrator als Ansteuerschaltung, <tb>Fig. 5<sep>eine für den Anschluss an ein Wechselspannungsversorgungsnetz adaptierte erfindungsgemässe Schaltung.

[0015] Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung mit einer Lichtquelle als Last. Die Schaltungsanordnung wird von einem Akkumulator AK mit Gleichspannung versorgt. Zwischen die Ausgangsklemmen, also dem Pluspol und der Masse des Akkumulators AK ist ein Kondensator C angeschlossen. Parallel zum Kondensator C ist eine Serienschaltung aus einer Lichtquelle Rb2 und ein steuerbarer Schalter T angeschlossen, der als Transistor ausgeführt ist. Ausserdem ist eine weitere Lichtquelle Rb1 dargestellt, die jedoch nur zu Testzwecken im Labor vom Anmelder eingesetzt wurde. Die Lichtquelle Rb1 ist also im realisierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltung überbrückt. Zur Klarstellung sei hier noch vermerkt, dass die Lichtquelle Rb1 natürlich mit konstanter, nicht-gepulster Spannung versorgt wird und so Vergleiche im Labor ermöglicht.

[0016] Ausserdem ist eine Ansteuereinheit I-gen für den Schalter T dargestellt, Die Versorgungsspannung für die Ansteuereinheit I-gen wird direkt am Akkumulator AK entnommen und ist mit Masse, ebenso wie der Schalter T, verbunden. Wird nun der Schalter T geöffnet, lädt sich der Kondensator C solange auf, bis an ihm eine Spannung abfällt, die in ihrem Wert der Gleichspannung entspricht. Wird der Schalter geschlossen entlädt sich der Kondensator C und führt ebenso wie der Akkumulator der Lichtquelle Rb2 elektrische Energie zu. Bei richtiger Wahl der Pulsweite, also bei richtiger Wahl der Einschaltzeit des Schalters T kann an die Glühlampe ein Spannungsimpuls angelegt werden, der deutlich grösser ist, als die zulässige Maximalspannung bei Dauerbetrieb. Zum besseren Verständnis wird hier auf Fig. 3 verwiesen. In dieser ist schematisch der Stromverlauf über die Zeit dargestellt. Auf der X-Asche ist somit die Zeit aufgetragen auf der Y-Achse die Amplitude des Stromes. Die mit S1 bezeichnete Fläche entspricht in ihrer Grösse den Flächen die mit S2 bezeichnet sind. Die Fläche S1 wird oberhalb durch eine Linie begrenzt, die dem Stromverlauf bei Dauerbetrieb entspricht; die Flächen S2 werden durch den impulsartigen Stromverlauf bei Pulsbetrieb umschlossen. Übersteigt die Summe der Flächen von S2 nicht die Grösse der Fläche S1 ist es möglich, einer Last höhere Amplitudenwerte des Stromes zuzuführen als dies bei Dauerbetrieb möglich wäre.

[0017] Versuche des Anmelders haben gezeigt, dass eine Helligkeit der Lichtquelle von 90 % erreicht werden kann, wenn das Verhältnis der Einschaltzeit zur Ausschaltzeit etwa 60:40 beträgt. Vorzugsweise kann dieser Bereich zwischen 65:35 und 50:50 liegen.

[0018] Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung mit einem Elektromotor M als Last. Die Schaltungsanordnung wird wiederum von einem Akkumulator AK mit Gleichspannung versorgt und ist gegenüber der Fig. 1 grundsätzlich unverändert, allerdings wird die Lichtquelle Rb1 aus Fig. 1 nun mit A bezeichnet. Auch hier ist diese Lichtquelle A nur zu Testzwecken verbaut und kann entfallen, also im realen Schaltungsbetrieb überbrückt werden. Ausserdem ist dem Motor M ein Kondensator parallel geschaltet. Die grundsätzlich Funktionsweise verändert sich gegenüber der Fig. 1nicht.

[0019] In Fig. 4 wird eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung mit einer Lichtquelle als Last und mit einem Multivibrator als Ansteuerschaltung gemäss Fig. 1 gezeigt. Als steuerbarer Schalter ist ein Feldeffekt-Transistor T1 vorgesehen. Die Last bildet wiederum eine Lichtquelle Rb2. Rb1 dient wiederum nur zu Testzwecken und kann entfallen. Die Sicherung F schützt den Multivibrator, der durch die Widerstände R, R1 bis R5, die Kondensatoren C3 und C4 sowie durch die Transistoren T2 und T3 gebildet ist. Der Multivibrator ist über einen Filterkondensator C2 mit Masse verbunden. Da die Funktionsweise eines derartigen Multivibrators allgemein bekannt ist, wird hier auf eine genauere Erläuterung verzichtet. Für genauere Informationen wird auf den Link http://de.wikipedia.org/wiki/Multivibrator verwiesen.

[0020] In Fig. 5 ist der Einsatz der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung an einem Wechselspannungsversorgungsnetz wiedergegeben. Hierbei wird die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung mittels eines Brückengleichrichters D1 mit gepulster Gleichspannung versorgt. Die parallel zueinander und zwischen Hochvolt-Ausgang (+) und Masse (-) des Gleichrichters D1 geschalteten Kondensatoren C1 und C2 dienen wie in den vorher erläuterten Figuren als Übertragungskondensatoren und entsprechen dem Kondensator C1 in diesen Figuren. Als steuerbarer Schalter ist wiederum ein Schalter T1 gezeigt, der als Feldaffekttransistor ausgeführt ist. Die Last ist nur als ohmscher Widerstand Rb dargestellt und kann beispielsweise durch eine Heizspirale gebildet sein. Die Last Rb ist an die Klemmen (+) bzw. dem Hochvolt-Ausgang und der Klemme K angeschlossen, wobei über die Klemme K die Serienverschaltung mit dem steuerbaren Schalter T1 erfolgt. Die Klemmen (-) und C dienen Mess- und Testzwecken und können entfallen oder alternativ dazu genutzt werden, um einen zusätzlichen Kondensator C 3 mit dem Kondensatoren C1 und C2 zu verbinden. Dies erfolgt, um die Kondensatoren an die Charakteristik der Last Rb anzupassen. Beispielsweise kann das so erfolgen, dass die Last Rb an die Klemmen C und K angeschlossen wird.

[0021] Der Multivibrator wird gebildet aus den Widerständen R1 bis R4, den Kondensatoren C4 und C5 sowie aus den Transistoren T2 und T3. Versorgt wird der Multivibrator mit 12 Volt Gleichspannung, die über eine Transformator Tr und einem Brückengleichrichter D2 aus dem Wechselspannungs-Versorgungsnetz gewonnen wird. Der Kondensator C6 dient als Filterkondensator. Die grundsätzliche Funktionsweise dieser in Fig. 5 gezeigten erfindungsgemässen Schaltungsanordnung verändert sich nicht gegenüber den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen.

[0022] Die Kondensatoren sind: Übertragungskondensator 1000 mF (bei Lampen Belastung und 12 V) und 3300 bis 10000 mF (Motoren Belastung) Filter Kondensator 470 mF Bei 230 V sind die Kondensatoren C1 und C2 - 330 mF, C3-100 mF und Filter Kondensator 1000 mF

Claims (14)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Last mit gepulster Spannung, aufweisend eine Spannungsversorgung, an die der elektrische Verbraucher angeschlossenen ist sowie einen steuerbaren Schalter, der so mit der Spannungsversorgung und dem elektrischen Verbraucher verschaltet ist, dass er in der Lage ist den Stromfluss zu unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum steuerbaren Schalter und zur elektrischen Last ein Element zur Speicherung elektrischer Energie, insbesondere ein Kondensator, angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Schalter und die Last seriell miteinander verschaltet sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung eine Gleichstromquelle in Form von Akkumulatoren oder Batterien insbesondere mit Ausgangsspannungen im Bereich von 12 - 24 Volt ist

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle ein elektrisches Wechselspannungsnetz mit einer Spannung von 230 Volt ist, wobei die die Wechselspannung mittels eines Brückengleichrichters gleichgerichtet wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Schalter ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die elektrische Last eine Lichtquelle in Form einer Glühlampe oder in Form einer Leuchtdiode ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die elektrische Last ein Elektromotor ist zu dem ein weiterer Kondensator parallel geschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die elektrische Last Heizelement ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Ansteuerung des steuerbaren Schalters durch einen astabielen Multivibrator erfolgt.

10. Verfahren zum Betreiben einer Last an einer Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche umfassend folgende Schritte: a) Einstellen einer Pulsweite und einer Pulspause in Abhängigkeit von Charakteristik der Last b) Schliessen des steuerbaren Schalters während der Pulsweitenzeit um eine Spannung an die Last anzulegen, c) Öffnen des steuerbaren Schalters während der Pulspause, um ein elektrisches Speicherelement, insbesondere einen Kondensator, aufzuladen, d) Wiederholen der Schritte b) und c).

11. Verfahren zum Betreiben einer Lichtquelle mit 50 Watt an einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 in Verbindung mit einem der Ansprüche 1-3 und 5-9 an einer Gleichspannungsquelle mit 12 Volt, dadurch gekennzeichnet, dass für die Pulsweite ein Einschaltzeit von 0,025 bis 0,035 Millisekunden und für die Pulspause eine Ausschaltzeit von 0,035 bis 0,045 Millisekunden gewählt werden.

12. Verfahren zum Betreiben einer Lichtquelle mit 20 Watt an einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 in Verbindung mit einem der Ansprüche 1-3 und 5-9 an einer Gleichspannungsquelle mit 12 Volt, dadurch gekennzeichnet, dass für die Pulsweite ein Einschaltzeit von etwa 0,15 Millisekunden und für die Pulspause eine Ausschaltzeit von 0,20 Millisekunden gewählt werden.

13. Verfahren zum Betreiben eines Heizelements an einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 in Verbindung mit einem der Ansprüche 1-2 und 4-9 an einer Wechselspannungsquelle mit 230 Volt effektiv, dadurch gekennzeichnet dass für die Pulsweite ein Einschaltzeit von etwa 0,15 Millisekunden und für die Pulspause eine Ausschaltzeit von 0,20 Millisekunden gewählt werden.

14. Verfahren zum Betreiben einer Last Watt an einer Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das die Zeitdauer der Pulsweite 35 bis 50% und die Zeitdauer der Pulspause 65 bis 50% der Gesamtdauer eines Pulses plus Pause beträgt.