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Die
Erfindung betrifft einen Kondensatorenblock aus miteinander verschaltbaren
Kondensatoren und ein Verfahren zum elektrischen Be- und Entladen
desselben und ist damit in das technische Gebiet der Speicherung
elektrischer Energie einzuordnen.
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Das
Be- und Entladen eines Kondensators ist ein bekannter, einfacher
elektrophysikalischer Vorgang, der zeitlich von der Kapazität
des Kondensators und dem Widerstand des angeschlossenen Ladegeräts
oder angeschlossenen Last bestimmt wird.
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Die
in einem Kondensator eingebrachte elektrische Energie von 1/2CU0 2 ist bis auf eine
verbleibende Ladung von 1/2CUu 2 nutzbar.
Das ist insbesondere von Bedeutung, wenn der Kondensator als elektrischer
Energiespeicher zum Betrieb einer Last dient, die in einem gewissen
Spannungsbereich betrieben werden muss oder nur betrieben werden
kann. Die Speicherung von elektrischer Energie mit Hilfe von Kondensatoren
ist mit dem Nachteil behaftet, dass die Spannung am Kondensator
während der Entladung kontinuierlich abnimmt, d. h. proportional
der noch vorhandenen Ladung auf dem Kondensator ist. Es kann nur
ein Teil der in den Kondensator eingebrachten Energie wirtschaftlich
genutzt werden. Bei der Entladung des Speicherkondensators auf 1/2U0 bleibt 25% der geladenen Energie auf dem
Kondensator zurück.
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In
der
DE 602 01 615 wird
ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug beschrieben,
bei dem das Antriebssystem u. a. einen oder mehrere Superkondensatoren
aufweist. Die Einheit zum Steuern des an das Rad des Fahrzeugs angelegten
Drehmoments nutzt die sich von der anderen elektrischen Energiequelle
unterscheidende elektrische Energiespeichervorrichtung prioritär,
um die im Fall einer Anforderung eines Antriebsmoments notwendige
Energie für den Antrieb des Fahrzeugs zu liefern. Im andern
Fall, nämlich der Bremsanforderung wird die elektrische Energiespeichervorrichtung
im Verhältnis zur Nutzung jeder anderen Bremsvorrichtung
prioritär aufgeladen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in einem Kondensatorblock
gespeicherte, bzw. eingebrachte elektrische Energie zwischen zwei
elektrischen Spannungsschwellen, nämlich der Ladespannung
Uo und einer vorgegebenen unteren Schwellenspannung
Uu verfügbar zu machen.
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Die
Aufgabe wird durch einen Block aus n Kondensatoren oder n Kondensatorzellen
gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst,
wobei zur Erschöpfung der in dem Kondensatorblock gespeicherten
Energie ein Schaltverfahren aus sukzessiven Schaltschritten und
damit aufeinander folgender Entladungsintervalle gemäß der
in Anspruch 7 beschriebenen Verfahrensschritte angewendet wird.
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Gemäß Anspruch
1 besteht der Kondensatorenblock aus n Kondensatoren C1 bis
Cn, (3(n – 1) + 1) Schaltern und
zwei aus dem Kondensatorblock heraus geführten Anschlussklemmen.
An einem ersten, auf Bezugspotential liegenden Kondensator C1 sind drei Schalter angeschlossen. Ein Schalter
ist an der auf Bezugspotential liegenden ersten Kondensatorplatte
und zwei Schalter sind an der zweiten Kondensatorplatte angeschlossen.
Der an der ersten Kondensatorplatte angeschlossene Schalter ist
auch an der ersten Platte eines zweiten Kondensators C2 angeschlossen.
Ein Schalter von den zwei Schaltern, die an der zweiten Platte des
ersten Kondensators C1 angeschlossen sind,
ist auch an der ersten Platte des zweiten Kondensators C2 und der zweite Schalter von den zweien
an der zweiten Platte des zweiten Kondensators C2 angeschlossen. Drei
weitere Schalter sind in gleicher Manier wie am ersten Kondensator
C1 am zweiten Kondensator C2 angeschlossen
und in gleicher Manier wie beim zweiten Kondensator C2 an
einem dritten Kondensator C3 angeschlossen.
Die weiteren Kondensatoren bis zum n-ten Kondensator reihen sich
in dieser Manier ein.
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An
der unteren Platte des n-ten Kondensators ist der der (3(n – 1)
+ 1)-te Schalter angeschlossen und mit einer der beiden, auf Bezugspotential – meist
Erdpotential – liegenden Anschlussklemmen verbunden. Die zweite
Platte des n-ten Kondensators Cn ist direkt
mit der zweiten Anschlussklemme verbunden. Es sitzen somit n Kondensatoren
unter Zwischenschaltung dreier Schalter aufgereiht nebeneinander,
wobei die obere Platte des n-ten Kondensators Cn direkt
die nicht auf Bezugspotential liegende Anschlussklemme kontaktiert
und die zweite Anschlussklemme über den (3(n – 1)
+ 1)-ten Schalter den je nach dem verschalteten Kondensatorblock
kontaktiert. Die erste Platte des ersten Kondensators C1 liegt
ebenfalls auf Bezugspotential.
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Die
n Kondensatoren sind über eine in einen Prozessor eingegebene
Schaltersteuerung zum Betätigen der (3(n – 1)
+ 1)) Schalter von der reinen Parallelschaltung über einen
jeden kombinierbaren Parallel-Serienteilblock bis zur reinen Serienschaltung
in den leitenden oder sperrenden Zustand überführbar,
wodurch jeweils eine diskrete Gesamtkapazität C
ges aus der Menge aller möglichen
diskreten Gesamtkapazitäten
schaltbar ist. Die für
ein Entladungsintervall vorgegebene Verschaltung der n Kondensatoren,
ist während des Entladungsintervalls unter Beibehaltung
der Gesamtkapazität zyklisch umstellbar.
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Der
Kondensatorblock ist an einen Prozessor/Rechner angeschlossenen
und wird durch ihn betrieben und überwacht. Die Schalter
werden nach in den Rechner eingegebenem Konzept in den beabsichtigten
Zustand gesteuert. Das Verfahren zum Handhaben des Kondensatorblocks
nach einem der Ansprüche 1 bis 6 besteht nach Anspruch
7 aus den zwei Hauptfunktionen des Aufladens mit elektrischer Energie,
d. h. das Einbringen elektrischer Ladung auf die Kondensatoren,
und des Entladens, d. h. des Treibens der Ladung aus dem Kondensatorblock
durch eine Last R.
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Zum
Laden mit elektrischer Ladung wird der Kondensatorblock mit seinen
beiden Klemmen an ein Ladegerät angeschlossen und mit einer
für den Ladestromkreis typischen Zeitkonstanten von
τl = Cges·RL elektrisch
aufgeladen, bis in den Kondensatorblock die elektrische Ladung
eingebracht und damit darin
die elektrische Energie
E = 12 CgesU20 gespeichert
wird.
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In
den Prozessor werden Schalterzustände abgelegt, mit denen
sämtliche Kombinationen zum Verschalten der Kondensatoren
von der reinen Parallelschaltung bis zur reinen Serienschaltung
eingestellt werden können. Die Entladung des Kondensatorblocks
wird mit der reinen Parallelschaltung der Kondensatoren begonnen,
wobei dieses Entladungsintervall bis zum Erreichen einer vorgegebenen,
unteren Schwellenspannung Uu an den beiden
Klemmen des Kondensatorblocks abläuft. Dann wird vom Prozessor
der (3(n – 1) + 1)-te Schalter in den sperrenden Zustand überführt
und die übrigen Schalter in den zur Bildung der Gesamtkapazität
Cges, die kleiner ist als die des vorangegangenen
Entladungsintervalls, jedoch derart, dass an den beiden Anschlussklemmen
des Kondensatorblocks anfänglich eine Spannung anliegt,
die größer als die untere Schwellenspannung Uu ist. Nach erneutem Erreichen der unteren
Schwellenspannung Uu wird vom Prozessor eine
erneute Verschaltung der Kondensatoren zum neuen Entladungsintervall
durchgeführt, wobei die Forderung der neuen kleineren Gesamtkapazität
und der anfänglich höheren Klemmenspannung berücksichtigt wird.
In dieser Manier läuft die Entladung des Kondensatorblocks
bis jeweils auf die Klemmenspannung Uu ab, bis
das letzte Entladungsintervall über die reine Serienschaltung
der n Kondensatoren vom Prozessor geschaltet wird.
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Die
regelmäßige Ermittlung sämtlicher Parallel-Serien-Schaltungskombinationen
kann beispielsweise dadurch gewonnen werden, dass zu n – k
parallelen Kondensatoren k parallele Kondensatoren in Serie geschaltet
werden und diese n – k Kondensatoren in weitern Schritten
zu weiteren seriellen Parallelschaltung umgebaut werden, bis schließlich
in einer letzten Schaltung die k Kondensatoren in Reihe zu sich
und der n – k parallelen Kondensatoren sind. Dabei ist
n natürlich und k ganzzahlig < n. Daraus ist eine Folge aller möglichen Gesamtkapazitäten
Cges aus n Kapazitäten herstellbar.
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Aus
der monoton abnehmenden Folge aller möglichen Gesamtkapazitäten
kann diese oder eine monoton abnehmende Teilfolge daraus, die allerdings
jedes Mal die reine Parallel- und Serienschaltung enthält, ausgewählt
werden. Die dazu notwendigen Schalterzustände werden dem
Prozessor einprogrammiert, der nach Erreichen der unteren Schwellenspannung
Uu an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks
zur nächst kleineren programmierten Gesamtkapazität
schaltet.
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Überließe
man den Kondensatorblock während eines Entladungsintervalls
sich selbst, könnte es zu funktionsschädlichen
Umladungen in einer momentanen Kondensatorverschaltung kommen, und
zwar am schnellsten in die Teilgruppe mit kleinster Kapazität.
In der 5 wird das für n = 3 am Wechsel von der
reinen Parallelschaltung auf die reine Serienschaltung dargestellt
und unten erläutert. Um dies zu verhindern, wird während
eines jeden Entladungsintervalls zwischen dem der reinen Parallelschaltung
und dem der reinen Serienschaltung der Kondensatoren die Parallel-Serien-Verschaltung
der Gesamtkapazität für das momentane Entladungsintervall über
den Prozessor ständig unter Beibehaltung der Gesamtkapazität
umgestellt. Damit werden Ladungsausgleichvorgänge zwischen
einzelnen Kondensatoren/Kondensatorteilblöcken bewirkt,
die die völlige Entladung eines Kondensators oder gar Umladung
verhindern. Es wird so gewissermaßen eine Spannungsmittelung
unter bekleidender langsamerer Span nungsabsenkung an den beiden
Klemmen des Kondensatorblocks betrieben.
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Das
Laden des Kondensatorblocks ist auf zwei Wegen möglich.
Der eine ist, der Kondensatorblock wird von dem Prozessor in die
reine Parallelschaltung geschaltet, um eine eventuell vorhandene
Restladung Q
R bis zur Spannungsgleichheit
an den Kondensatoren durch interne Ausgleichsvorgänge zu
verteilen: Danach werden dann die beiden Klemmen des Kondensatorblocks
an ein Ladegerät angeschlossen und mit einer für
den Ladestromkreis typischen Zeitkonstanten von
elektrisch aufgeladen, bis
in den Kondensatorblock die elektrische Ladung
eingebracht ist und damit
die elektrische Energie
gespeichert wird. Für
diesen Ladevorgang ist der (3(n – 1) + 1)-te Schalter in
den leitenden Zustand versetzt. Diese Art Laden ist für
kapazitätsmäßig verschiedne Kondensatoren
C
n und für kapazitätsmäßig
gleiche Kondensatoren C möglich. Im letzteren Fall wird
die typische Ladezeitkonstante
τlp = nCRL. -
Der
zweite Weg zum Laden besteht, falls die Kondensatoren des Kondensatorblocks
kapazitätsmäßig alle gleich sind, darin,
dass die n Kondensatoren gleicher Kapazität C für
das elektrische Laden vom Prozessor alle in Reihe zueinander geschaltet
werden und damit die typische Ladezeitkonstante τlS = Cn RL besteht,
wobei der Kondensatorblock bis zu der Klemmenspannung nU0. aufgeladen wird.
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Letztere
Ladeart ist die zeitlich schnellere, erfordert dafür aber
isolationstechnische Berücksichtigung, da die Spannung
an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks ein Vielfaches der anfänglichen
Entladungsspannung U0 ist.
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Die
folgende Ladungs und Speicherenergiebetrachtung verdeutlicht die
vorteilhafte Ausnutzung durch die sukzessive Umschaltung von der
anfänglich reinen Parallelschaltung zu der abschließenden
Serienschaltung. Es ist die anfänglich in den Kondensatorblock
eingebrachte Ladung
und die damit eingebrachte
elektrische Energie
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Am
Ende der letzten Teilentladungszeit t
e(n-1) befindet
sich im Kondensatorblock noch die Restladung
und damit die Restenergie
von
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Daraus
wird schnell ersichtlich, dass durch die Kondensatorverschaltung
eine hohe Entladung am Schluss der Entladung des Kondensatorblocks
erreicht wird. Unten wird das für den Fall, dass alle Kondensatoren
die gleiche Kapazität haben noch deutlicher.
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Die
Zeichnung zeigt beispielhaft einen Kondensatorblock aus n gleichen
Kondensatoren C. Das ist technisch der nahe liegende Fall. Der Kondensatorblock
kann aber, wie oben allgemein gezeigt, auch aus n verschiedenen
Kondensatoren Cn bestehen. Allerdings beschränkt
auf die Parallelladung der Kondensatoren Cn.
Es zeigt:
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1 den
Kondensatorblock,
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2 eine
Schaltungsfolge mit monoton abnehmende Cges für
n = 7;
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3 die
Taktzyklen für ein ausgewähltes Cges bei
n = 7;
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4.
eine Schaltungsfolge mit monoton abnehmende Cges für
n = 8;
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5 die
Erläuterung der Umladungsproblematik für n = 3.
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Der
technisch einfachste Fall ist, für alle natürlichen
n sei Cn = C. Dabei kann die Kapazität
C ein Kondensator oder selbst ein Kondensatorblock sein. In 1 liegen
n Kondensatoren C nebeneinander aufgereiht. Zwischen zwei aneinander
gereihten Kondensatoren C sitzen 3 Schalter, einer erster verbindet
die beiden unteren Platten der Kondensatoren C, ein zweiter die
beiden oberen Platten und der dritte Schalter liegt diagonal, d.
h. er liegt zwischen der oberen Platte des ersten Kondensators und
der unteren Platte des Folgekondenstors. Das ist wichtig, wenn der
allererste Kondensator C mit seiner untern Platte auf Bezugspotential, üblicherweise
Erdpotential sitzt. Daraus ist ersichtlich, dass dazu bei n Kondensatoren
C 3(n – 1) Schalter notwendig sind. Der (3(n – 1)
+ 1)-te Schalter am Ausgang des Kondensatorblocks zur auf Erdpotential
liegenden Anschlussklemme ist bei der reinen Parallelschaltung im
leitenden Zustand und geht bei der ersten Umschaltung zum folgenden
Entladungsintervall in den sperrenden Zustand über, da
dann der Kondensatorblock für die Entladung erstmalig und
weiter aus einer ersten Serienschaltungskombination besteht, nämlich
die verbliebene Parallelschaltung in Reihe zu der ersten Teilgruppe
an Kondensatoren, das kann einer oder das können mehrere
sein. Das geht aus oben geschilderter regelmäßiger
Erzeugung hervor. 2 zeigt die Situation für n
= 7. Für n = 7 sind maximal 15 verschiedene Kondensatorverschaltungen
von der reinen Parallelschaltung über die gemischt parallel-serielle
bis zur rein seriellen Verschaltung möglich. Das entspricht
einer Gesamtkapazitätenfolge von Cges =
7C bis Cges = 1/7C. Die monoton abfallende,
vollständige Folge der Gesamtkapazitäten ist:
7C
12/7C 10/7C 6/7C 3/4C 3/5C 4/7C 5/11C 7/17C 2/5C 4/13C 3/13C 2/11C
1/7C. Aus dieser Folge wird hier beispielsweise die monoton fallende
Folge von 7C 12/7C 10/7C 6/7C 3/4C 3/5C 4/7C 5/11C 7/17C 2/5C 4/13C 3/13C 2/11C 1/7C ausgewählt.
Normiert auf C liegt dann die Zahlenfolge: 7; 1,71; 0,75 0,4 0,23
0,18 0,14 vor, deren Glieder in 2 in Verbindung
mit C seitlich an der zugehörigen Schaltung geschrieben
sind. Diese Schaltungsabfolge für die Entladung des Kondensatorblocks
ist mit den in 1 gezeigten Schalterpositionen möglich.
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3 zeigt
nun das Takten während der Entladung für ein Cges = 0,75C, um Umladungen in den Schaltungsblöcken
mit kleinen oder kleineren Kapazitäten zu verhindern. Dabei
wird stets vom größten Parallelteilblock eine
Kapazität abgeschaltet und dem kleinen oder kleineren Parallelteilblock
unter Beachtung der Spannungsrichtung zur Aufladung parallel zugeschaltet.
Dadurch sinkt die Klemmenspannung an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks
langsamer ab und ist aufgrund des ständigen Umschaltens
mit kleinem, zackenförmigem Verlauf behaftet. Für
jede Gesamtkapazität außer für die reine
Parallel- und Serienschaltung wird die dazu notwendige Kapazitätsschaltung
in ihrer Teilblockanordnung getaktet und verhindert so Umladungen
in kleinen und kleineren Kondensatorteilblöcken.
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In 4 wird
das geradzahlige Beispiel von n = 8 auf diese Art nach 1 verschaltbaren
Kondensatoren gezeigt. Aus der Folge von maximal 22 Möglichkeiten
der Parallel- und Serienversschaltung, wird die in 4 dargestellte
und monoton abnehmende Teilfolge der Gesamtkapazitäten
mit Kapazitätswert und Schaltung gezeigt. Die Taktung jeder
Gesamtkapazitätsschaltung wird entsprechend obiger Schilderung über
den Prozessor durchgeführt. Bis an den beiden Klemmen des
Kondensatorblocks die untere Spannungsschwelle Uu und
die reine Serienverschaltung erreicht wird.
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Aus
dieser Betrachtung ist auch ersichtlich, dass die Folge der Gesamtkapazitäten
für eine Entladung des Kondensatorblocks streng monoton
fallend zur reinen Serienschaltung hin sein muss. Würde
man bei der Entladung zu einer größeren Gesamtkapazität
weiterschalten, würde man eine Anfangsspannung für
diese Intervall von U1 + ΔU < U1 bekommen
und der Prozessor würde aufgrund der zu kleinen Spannung
an den beiden Klemmen des Kondensatorblocks nicht einschalten.
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Vorausbetrachtung:
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Zur
Wirkung der zyklischen Umschaltung während einer Entladungsphase
wird kurz ansatzweise der einfache Fall der Verschaltung dreier
gleicher Kapazitäten C betrachtet:
In
5 ist
links zunächst die Ausgangssituation der reinen Parallelschaltung
dargestellt. Diese Schaltung werde über die Last R auf
die untere Schwellenspannung U
u entladen
und dann vom Prozessor auf die Folgeschaltung aus einem Kondensator
und zwei parallelen Kondensatoren umgeschaltet, bei der die Anfangsbedingung
u(0) = 2U
u besteht. Somit ergibt sich für
den Strom i(t) aus dem Kondensatorblock bei Belastung:
und für die Spannung
u(t) an den Anschlussklemmen während der Entladung:
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Dabei
ist die Spannung an dem unteren Block aus den zwei parallelen Kondensatoren:
und die Spannung an dem einzelnen
Kondensator in Reihe:
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Die
untere Spanung uu(t) kann also in dieser
Schaltung nicht negativ werden, wohl aber die obere uo(t). D.
h. am oberen Kondensator könnte eine Umladung im oberen
einzelnen Kondensator in dieser Schaltung auf maximal u0(∞) = –13 U1 erfolgen.
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Wird
nun einer der beiden Kondensatoren C der unteren Parallelschaltung
zu einem vorgegebenen Zeitpunkt t
z1 parallel
an den einzelnen oberen Kondensator geschaltet (
4,
dritte Schaltung) – das wäre ein erster zyklischer
Schaltschritt während des bestehenden Entladungsintervalls – stellt
sich dort folgender Ladungsausgleich ein:
Qo = C(uu(tz1) + uo(tz1))aufgrund der die Anfangsspannung
die für endliche
Zeiten stets größer null ist. Die Gesamtkapazität
von
23 C bleibt erhalten. Damit geht unmittelbar nach dem Zeitpunkt
t
z1 die Entladung weiter, jedoch mit neuer
Anfangsspannung
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Die
Anfangsspannung davon ist auf jeden Fall größer
null, und die Entladung in die Last R geht weiter in exponentieller
Form mit der für das Entladungsintervall typischen Zeitkonstanten
von: τ = 23 CRbis zum Ende diese Zyklusintervalls
tz2, nach dem für diese Gesamtkapazität
von 23 C ein voller Zyklus durchlaufen wäre. Ist schließlich
die reine Serienschaltung der Kondensatoren im Kondensatorblock
erreicht werden die Kondensatoren nicht mehr zyklisch vertauscht,
da jeder Kondensator eine gleiche Spannungsrichtung wie die übrigen
aufweist und die Gesamtentladung mit der kleinsten Zeitkonstante
von hier τ = 13 CRabläuft.
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Die
zyklische Umschaltung einer bestehenden Gesamtkapazität
verhindert Umladungen an Kondensatorblöcken mit kleinerer
Kapazität wie ein angeschlossener größerer
Kondensatorblock. Damit sind auch Elektrolytkondensatoren als kapazitive
Energiespeicherelemente einsetzbar.
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Die
abschließende Ladungs- bzw. Kapazitätsausnutzung
für sieben gleiche Kondensatoren C verdeutlicht die vorteilhafte
Ladungsausnutzung bzw. Ausnutzung der gespeicherten elektrischen
Energie:
Die verbleibende Restladung nach dem erstmaligen Erreichen
der unteren Spannungsschwelle ist bei der reinen Parallelschaltung
QRLP = 7·CU1,
die verbleibende Restladung bei der Serienschaltung ist QRLS = 1/7·CU1.
Der
kapazitive Energiespeicher wird durch Umschaltung bis auf QR/Qn = 1/n2·U1/U0 = 1/49·U1/U0 geleert, d. H. Eine Restladung von QR = 1/n2·U1/U0 = 1/49·U1/U0·Qn verbleibt in dem auf die untere Klemmenspannung
entladenen Kondensatorblock. Es wird dadurch bis auf die verbleibende
Restenergie von ER = 1/n2·(U1/U0)2·EA in die angeschlossene Last R eingespeist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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eingebracht ist und damit die elektrische Energie
gespeichert wird. Für diesen Ladevorgang ist der (3(n – 1) + 1)-te Schalter in den leitenden Zustand versetzt. Diese Art Laden ist für kapazitätsmäßig verschiedne Kondensatoren Cn und für kapazitätsmäßig gleiche Kondensatoren C möglich. Im letzteren Fall wird die typische Ladezeitkonstante
