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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, umfassend eine Kapazitätsbank mit wenigstens zwei parallel geschalteten, wenigstens einen Kondensator umfassenden Kondensatorgruppen. Daneben betrifft die Erfindung ein Blitzgerät mit einer solchen Energiespeichervorrichtung.
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Derartige Energiespeichervorrichtungen sind für eine Vielzahl von Anwendungen bekannt. In einer Kapazitätsbank werden dabei eine Vielzahl von Kondensatoren parallel geschaltet, um eine hohe Gesamtkapazität bzw. einen hohen Gesamtenergieinhalt zu erhalten. Bei einer entsprechend hohen Spannung und einer entsprechend hohen Kapazität kann ein sehr hoher Energiegehalt erreicht werden.
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Beispielsweise werden solche Energiespeichervorrichtungen mit Kapazitätsbänken bei Blitzgeräten für die Fotografie, insbesondere für professionelle Fotografen, verwendet. Bei derartigen Anwendungen können Energien bis zu beispielsweise 10 kJ gespeichert werden. Jedoch werden Energiespeichervorrichtungen der genannten Art auch bei Inverterschaltungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen oder ähnlichen Einsatzgebieten, eingesetzt.
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Probleme treten bei Kapazitätsbänken vor allem im Fehlerfall auf. Werden beispielsweise Elektrolytkondensatoren (Elkos) verwendet und schlägt bei einem Elektrolytkondensator die Folie durch, so entsteht ein Kurzschluss. In diesem Fall wird nicht nur die Energie des defekten Elkos, sondern die gesamte Energie der Kapazitätsbank über diese Kurzschlussstelle entladen. Dabei erfolgt die Entladung explosionsartig, sodass Teile der Energiespeichervorrichtung oder der diese umfassenden Vorrichtungen sich lösen können und davongeschleudert Schaden erzeugen können. Weiterhin entsteht ein sehr lauter Knall. Es kann vorkommen, dass ein Lichtbogen entsteht, der ebenso zu Schäden führt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Energiespeichervorrichtung anzugeben, bei der die möglichen Schäden bei einem Kondensatordefekt reduziert sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Energiespeichervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein eine Entladung der Kondensatoren einer Kondensatorgruppe über eine parallel geschaltete Kondensatorgruppe vermeidendes Bauteil vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, die einzelnen Kondensatorgruppen gegeneinander zu entkoppeln. Entsteht nun ein Kurzschluss, beispielsweise, da in einem Fehlerfall die Folie eines Elektrolytkondensators durchschlägt, so entlädt sich in diesem Fall nur die betroffene Kondensatorgruppe, nicht jedoch die komplette Kapazitätsbank, was nur einen kleinen Anteil der maximal umgesetzten Energie darstellt. Sind beispielsweise bei einer Energiespeichervorrichtung mit 10 kJ 74 Kondensatoren mit 2.200 μF parallelgeschaltet, so wird nur noch 1/74, also ca. 1,5%, der Energie bei einem Kurzschluss entladen, sodass im Idealfall weder Schäden durch Geräusche noch durch eine Explosion entstehen. Derartige Energien, beispielsweise im Bereich von 100 bis 200 J, sind vorteilhaft beherrschbar, sie können also beispielsweise in einem Kondensatorgehäuse (Becher) mit Sicherheitsventilen aufgenommen werden.
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In konkreter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kondensatorgruppen mit einem gemeinsamen Ladespannungsanschluss und einem gemeinsamen Entladeanschluss verbunden sind, wobei in den jeweiligen Zuführleitungen von dem Ladespannungsanschluss zu den Kondensatorgruppen ein in Richtung eines Ladestroms durchlässiges erstes, in einer Richtung sperrendes oder sperrbares Bauteil und in den jeweiligen Abführleitungen von den Kondensatorgruppen zu dem Entladeanschluss ein in Richtung eines Entladestroms durchlässiges zweites, in einer Richtung sperrendes oder sperrbares Bauteil eingeschaltet ist. In diesem Fall läge also grundsätzlich eine leitende Verbindung zwischen den Kondensatorgruppen aufgrund des gemeinsamen Ladespannungsanschlusses und des gemeinsamen Entladeanschlusses vor. Vorgeschlagen wird daher, in den jeweiligen Zuführleitungen bzw. Abführleitungen ein in eine Richtung sperrendes oder sperrbares Bauteil zu verwenden, das bezüglich des Ladespannungsanschlusses in Richtung zu den Kondensatoren durchlässig ist, bezüglich des Entladeanschlusses jedoch in der Entladerichtung. In den Gegenrichtungen sperrt das Bauteil. Die Kondensatorgruppen können also wie bekannt über den Ladespannungsanschluss, welcher beispielsweise mit einem Ladenetzteil verbunden wird, geladen werden. Der Strom durch ein derartiges Ladenetzteil ist üblicherweise begrenzt bzw. kann begrenzt werden. Der Ladestrom fließt letztlich also durch die ersten Bauteile zu den Kondensatorgruppen. Über die zweiten Bauteile fließt der Strom zum Entladeanschluss, mithin in die Last, beispielsweise eine Blitzröhre, einen Inverter und dergleichen. Entsteht nun ein Kurzschluss an einem Kondensator, so liegt an den entsprechenden Bauteilen seitens der entsprechenden Kondensatorgruppe eine niedrigere Spannung an, sodass aus den umliegenden Kondensatorgruppen kein Strom in den defekten Kondensator nachfließen kann, nachdem die entsprechenden sperrenden Bauteile nun durch den Kurzschluss in Sperrrichtung liegen.
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Die Bauteile können Thyristoren und/oder Triacs und/oder IGBTs und/oder Transistoren und/oder Dioden sein, wobei Dioden erfindungsgemäß bevorzugt werden. Die Bauteile müssen dabei grundsätzlich so dimensioniert sein, dass sie den im Betrieb vorkommenden Bedingungen Stand halten, beispielsweise in Bezug auf die Sperrspannung, Dauerstrom und Stoßstrom. Gerade bei Anwendungen wie Kapazitätsbänken, bei denen mit hohen Spannungen, Strömen und Energien gearbeitet wird, empfiehlt es sich, Dioden zu verwenden, nachdem entsprechend dimensionierte Halbleiterelemente auf dem Markt erhältlich sind.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass in die Abführleitungen ein schaltendes Element zur Beschränkung einer insgesamt abgegebenen Energie eingeschaltet ist. Die Verwendung derartiger schaltender Elemente, beispielsweise von Thyristoren, IGBTs oder Transistoren, ist grundsätzlich bekannt. Mit besonderem Vorteil sind die schaltenden Elemente den zweiten Bauteilen nachgeschaltet, sodass weniger Auslegungskriterien betrachtet werden müssen. Solche ansteuerbaren schaltenden Elemente ermöglichen es zudem, lediglich einen Teil der Kondensatorgruppen an die Last freizuschalten, sodass Teilmengen der Energie, die in der Kapazitätsbank gespeichert ist, eingesetzt werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei eine gerade Anzahl von Kondensatoren enthaltenden Kondensatorgruppen ein zentraler Masseanschluss vorgesehen ist und die Kondensatorgruppe auf einer Seite mit der positiven Ladespannung, auf der anderen Seite mit der negativen Ladespannung verbindbar ist. Auf diese Weise werden die Kondensatoren der Kondensatorgruppen also positiv und negativ gegenüber einem Mittelpunkt, dem Masseanschluss, geladen, sodass die Symmetrierung der Kondensatoren einfacher ist, nachdem die Kondensatoren jeweils über den positiven und den negativen Ladespannungsanschluss auf die richtige Spannung aufgeladen werden. Bei dieser Ausgestaltung ist zu beachten, dass hier zwei relevante Ladeanschlüsse und zwei relevante Endladeanschlüsse vorliegen, an denen jeweils weitere erste und zweite Bauteile verwendet werden, was notwendig ist, nachdem die Kondensatorgruppen zentral über den Masseanschluss verbunden sind.
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Wie bereits erwähnt, können die Kondensatoren zweckmäßigerweise Elektrolytkondensatoren sein. Der Hauptvorteil von Elektrolytkondensatoren ist eine relativ hohe Kapazität bei kleinem Bauvolumen.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Bauteil, insbesondere die Dioden, in ein wenigstens einen Kondensator einer Kondensatorgruppe enthaltendes Gehäuse integriert sind. Wie bereits erwähnt wurde, werden die Kondensatoren, insbesondere als Elektrolytkondensatoren, häufig in Gehäusen, so genannten Bechern, hergestellt. Die Gehäuse können mit Sicherheitsventilen versehen sein. Um nun eine kompakte Bauform und eine integrative Bauweise zu realisieren, kann vorgesehen sein, dass das Bauteil, insbesondere als Diode ausgeführt, in diese Becher bereits integriert ist. Bei Verwendung eines ersten und eines zweiten Bauteils können diese auch beide in den Becher integriert sein Denkbar ist es selbstverständlich auch, die Bauteile außerhalb der Becher bzw. Gehäuse anzuordnen.
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Neben der Energiespeichervorrichtung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Blitzgerät, umfassend eine Blitzröhre sowie eine die Spannung zum Betrieb der Blitzröhre zur Verfügung stellende Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Besonders vorteilhaft lässt sich die vorliegende Erfindung also in einem Blitzgerät integrieren, bei dem aufgrund der häufigen Nutzung in der Nähe von Menschen eine erhöhte Sicherheit besonders wünschenswert ist. Jedoch sind auch andere Anwendungen denkbar, wie bereits erwähnt, beispielsweise die bereits genannten Inverterschaltungen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Blitzgeräts in einer ersten Ausführungsform, und
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2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Blitzgeräts in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine erste, einfache Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Blitzgeräts 1 in einer Prinzipskizze.
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Ersichtlich umfasst das Blitzgerät 1 eine Blitzröhre 2, die, wie grundsätzlich bekannt, zwei Anschlüsse 3, 4 aufweist, an denen die gewollte Spannung zum Erzeugen eines Blitzes anzulegen ist. Ein Anschluss 5 ist für eine Zündhilfsspannung vorgesehen, die über eine Zündhilfdiode DZ zugeführt wird. Ein Hilfskondensator CH der Blitzröhre 2 parallel geschaltet.
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Die hohe Spannung zum Betrieb der Blitzröhre 2 wird durch eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung zur Verfügung gestellt, die eine Kapazitätsbank 6 mit n Kondensatorgruppen mit jeweils zwei Elektrolytkondensatoren Ci,1 und Ci,2 aufweist, wobei i = 1...n. Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl von Elektrolytkondensatoren pro Kondensatorgruppe vorgesehen sein, beispielsweise ein oder drei Kondensatoren. Ersichtlich sind die Kondensatorgruppen über einen gemeinsamen Entladeanschluss 7 und einen gemeinsamen Ladespannungsanschluss 8 miteinander verbunden, während auf der anderen Seite eine Verbindung 9 zur Masse vorliegt.
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Um nun zu verhindern, dass bei einem Kurzschluss die gesamte in der Kapazitätsbank 6 gespeicherte Energie über diese Kondensatorgruppe entladen wird, sind diese über Dioden DEi und DLi voneinander entkoppelt, indem jeweils eine erste Diode DLi in die jeweilige Zuführleitung 10 derart geschaltet ist, dass sie in der Richtung des Ladestroms durchlässig ist, in der Gegenrichtung jedoch sperrt. Zudem ist in die Abführleitungen 11 jeweils eine zweite Diode DEi geschaltet, die in Richtung eines Entladestroms durchlässig ist, in der entgegengesetzten Richtung jedoch sperrt.
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Über die Dioden DLi fließt die Energie, beispielsweise aus einem hier nicht näher gezeigten Ladennetzteil, in die Elektrolytkondensatoren Ci,1 und Ci,2, wobei der Strom durch das Ladenetzteil begrenzt ist oder begrenzt werden kann. Über die Dioden DEi fließt der Strom aus der Kapazitätsbank 6 in die Blitzröhre 2. Schlägt nun beispielsweise der Kondensator C2,1 durch, so liegt an der Anode der Diode DE2 eine niedrigere Spannung aufgrund des Kurzschlusses an, sodass aus den umliegenden Kondensatoren kein Strom in den defekten Kondensator nachfließen kann, da die Diode DE2 durch den Kurzschluss des Kondensators nun in Sperrrichtung liegt. Dies gilt analog für die Diode DL2.
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Zur Dimensionierung der Bauteile sei noch ein Beispiel betrachtet. Es sei davon ausgegangen, dass die Kapazitätsbank 68 Elektrolytkondensatoren umfasst, wobei jeweils zwei in Serie geschaltet sind. Hat nun ein Einzelelektrolytkondensator 700 μF und wird eine Spannung von 500 V betrachtet, so ergibt sich als Energie pro Elektrolytkondensator in etwa 87,5 J, sodass eine Gesamtenergie von 5.950 J bei einer Gesamtkapazität von 11,9 mF erreicht wird.
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Geht man nun von einem Widerstand des Blitzkreises von 0,4 Ohm aus (Erfahrungswert), so lässt sich abschätzen, dass als Zeitkonstante, nach der die Energie in der Kapazitätsbank 6 auf 37% abgesunken ist, sich etwa 4,76 ms ergeben, und sich ein maximaler Spitzenstrom im Blitzkreis von 2500 A ergibt. Dieser Strom teilt sich auf 34 Kondensatorgruppen auf, sodass pro Zweig (Kondensatorgruppe) dann maximal 73,5 A vorhanden sind. Damit gilt für die Dioden DE1 bis DE68 für die Entladung: I2 t = 77,5 A2s. I2t ist das bei Halbleitern üblicherweise angegebene Schmelzintegral. Zwischen zwei Entladungsereignissen muss eine entsprechend lange Zeit liegen, damit der Halbleiter wieder auf die im Datenblatt angegebene Temperatur abkühlen kann. Der hier ermittelte Wert für das Schmelzintegral liegt deutlich unterhalb handelsüblicher Dioden, sodass sich diese problemlos einsetzen lassen.
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Eine ähnliche Betrachtung lässt sich für die Dioden DL1 bis DL68 für die Ladung anstellen, wobei sich bei einer Ladeleistung von 1,5 KW eine Zeit von etwa 4 s ergibt, bis die Elektrolytkondensatoren auf die Arbeitsspannung geladen sind. Damit lässt sich der mittlere Strom durch alle Dioden als etwa 3 A bestimmen, sodass pro Diode nur etwa 0,09 A vorliegen.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Elektrolytkondensatoren in Gehäusen, so genannten Bechern, mit Sicherheitsventilen angeordnet sind. Wie aus Übersichtlichkeitsgründen in 1 nur für den Kondensator Cn,1 angedeutet, enthält das Gehäuse 12 im dort dargestellten Fall auch die darin integrierte Diode DEn. Denkbar ist es auch, zusätzlich die Diode DLn in ein derartiges Gehäuse 12 zu integrieren. Möglich ist es aber auch, die Dioden grundsätzlich außerhalb der Gehäuse anzuordnen.
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2 zeigt nun ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Blitzgeräts 1' in einer Prinzipskizze, bei dem der Einfachheit halber gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Das Blitzgerät 1' unterscheidet sich vom Blitzgerät 1 hauptsächlich darin, dass die Kondensatorgruppen der Kapazitätsbank 6 nun einen zentralen Masseanschluss 9 besitzen und über Ladespannungsanschlüsse 8a, 8b mit dem positiven und dem negativen der Ladespannung aufgeladen werden, sodass mithin zwei Ladeanschlüsse 8a, 8b und zwei Entladeanschlüsse 7a, 7b, vorgesehen sind. Nachdem eine Verbindung über den Masseanschluss 9 vorliegt, sind sowohl in der positiven als auch in der negativen Hälfte als entkoppelnde Bauteile Dioden vorzusehen, wie anhand der Dioden DLi+ und DEi+ für den positiven Anteil und den Dioden DLi– und DEi– für den negativen Anteil deutlich erkennbar ist. Zudem sind in den Abführleitungen 11a, 11b den jeweiligen Dioden DEi+/– schaltende Elemente 13, vorliegend Thyristoren, nachgeschaltet, sodass es hier möglich ist, nur einen Teil der Kondensatorgruppen zu entladen.
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Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Leuchtzeiten einer solchen Anordnung bei kleinen Blitzenergien kürzer werden, da alle nicht benötigten Kondensatoren nicht zugeschaltet werden können.
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Was die Werte angeht, so ergeben sich dann, wenn alle Kondensatorgruppen in Funktion sind, dieselben Werte wie bezüglich 1 dargelegt. Ist jedoch nur ein Teilpaket in Betrieb, da die restlichen schaltenden Elemente 13 sperren, ergibt sich ein äußerst hoher Spitzenstrom von beispielsweise 2500 A, der nur für eine Kondensatorgruppe gilt, sodass mithin für die Dioden DEi+/– ein Schmelzintegral von 875 A2s ermittelt wird. Hier kann es notwendig sein, aus Sicherheitsgründen eine hochbelastbare Diode (bzw. ein sonstiges sperrendes Bauteil) zu verwenden oder zwei Dioden parallel zu schalten.
