DE1563881A1

DE1563881A1 - Elektrischer Leistungsregler

Info

Publication number: DE1563881A1
Application number: DE19661563881
Authority: DE
Inventors: Findley Jun William Benjamin; Michael Monaco
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1965-11-30
Filing date: 1966-11-28
Publication date: 1970-02-19
Also published as: US3391322A; FR1514172A; GB1144480A; BE689847A

Description

ALEXANDER R. HERZFELD ·· Mannheim 1563881 RECHTSANWALT 11.« Kl PfN LANPQIMCHnN MANNHEIM U. HEIPEtItKQ

Anmelaerin:

UNITED STATES

ATOiMIC ENERGY COMMISSION

SKTRISCHER LEISTUNGSREGLER

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsregler zur Konstanthaltung von Leistung und Verbraucherspannung während der gesainten Nutzungsdauer eines mit einer Kraftquelle gegebener Zerfallezeit betriebenen Direktwandlers, insbesondere eines mit Brennstoffelementen in Porm radioaktiver Isotope gespeisten tnemioelektriscnen Generators.

Thermoelektrische Generatoren ermöglichen üe Direktumwandiuxig von Wärmeenergie in elektrische Energie und werden vorteilhaft mit radioaktive!* Isotopen mit einer Halbwertzeit von mehr als 10 - 20 Jahren betrieben, wodurch eine von äusseren Kraitquellen unabhängige und keine Wartung erfordernde elektrische Dauerenergiequelle zur Verfügung steht, die in !form eines gescnlossenen Bauteils besonders für den Betrieb von itfavigationslichtern, Leuchtfeuern,

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Hochseebojen und dergl. jahrelang wartungsfrei und wetterunabhangig besonders vorteilnaft eingesetzt weraen. kann. Als Jünergiewandler dienen hierbei mit der beim Zerfall der Atome des Isotops freiwerdenden Wärmeenergie beaufschlagte Thermoelemente. Die Wärmeabgabe sinkt jedoch mit fortschreitendem Zerfall des Isotops, was einen entsprechenden Leistungsabfall des Generators zur Folge hat. Man verwendet daher Leistungsregler*, die bei zunehmendem Leistungsabfall des Generators die Leistungsabgabe den Betriebskennwerten des Verbrauchers entsprechend regeln und die enorderlichen Spannungswerte, Stromstärke, wellenform usw. liefern sollen. Leistens dient hierzu ein eine während der gesamten Nutzungsdauer des Direktwandlers gleichbleibende Spannung liefe-rnder «ebenschlussregler.

nxxa ist es im Hinblick auf geringstmogliche Abnutzung bzw. Verschlechterung uad erhöhte Lebensdauer und verbesserter Stabilität der Thermoelemente acer wanschendwert, die Betriebstemperatur möglichst niedrig zu halten. Dies kann auf Grutxti des ieltier-ixiektti dadur^xi erreich.^ werden, daß der Stro-üdurcxig,^a-r über die verbindungöstelleia aer Stx-oruleiter der Thermoelemente erxiöht wird, ixit den bekai^ten Leistuu £S-reglern isc aies aoer nicht, möglich, da diese den ijetriebsstrorn wahrend d&r gesamten wutzuxLg,odauer des Generators vernältniamäsait, niedrig, nalten, soaaii sich nohe Betri'.-tstemperaturen mit dadurcn verursachtei- '/erachlecntexunfe und mangelnder Stabilität der ii-eriuoeleaeixte er^eb^n.

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Aufgabe dei* Erfindung ist es, einen elektrischen Leittungsnegier für einen Direktwandler, insbesondere für einen mit radioaktiven Isotopen betriebenen theriuoelei-trischeri Generator zu schallen, der nicht nur Leistung ana Ausi.angsspaiiuun,_: wahrend der (.esaniten wutzurietd.^uer- de.: uenerators konstant hält, sondern darüberhinaus den Letriebsstrom zu Beginn der uutzuiitsdauex' mißlichst hoch halt und damit die Betriebstemperatur der Thermoelemente entsprechend absenkt.

Die iiui";,ate der iiirf i-uauub v/ira dadur-jx. gelust, daii ein an den Generator angeschlossener Leistun_c suiestier ein der Ausgaiif-sleistun^. des Generator entsj.recnendes Signal lieiex't, welcnes verstai'kt und einer Steuervorrichtuni-2uge±'ühx*t wird, die in Abhängigkeit von dei¹ Starice des Signals einen Spainiungsverstarker steuert, derart dah bei allmählich abnehmender Ausgaiikastrotiiycurke des Genei'aLors und entsprechender Zunahme seiner Aus^aii^sspannun^ die Spannun&sverstarkung entsprechena abnimmt.

In den Zeichnungen zeigen:

I¹XgUr 1 ein Schaubild, das die Stromstarke'und Spannungswerte in Beziehung zu den Leistungskurven eines thermoelektrischen Generators zu Beginn und am Ende seiner Nutzungsdauer darstellt;

Figur 2 die Schaltung einer Ausführungsi'orm der Erfindung. ■

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In der Fi^ur 1 "bezeichnet A die Leistung als Funktion der Stromstärke und B die Spaniiun^bkurve ala tunkt ion der Strömetarke eines mit radioaktiven IsotopenbrennBtoiien betriebenen thex'jLoelektri&chexi Generaotrs aiu Anfang seiner iüitzungsdauer, wobei die Spannung si. urve B von der Leistungskurve A nach der ifoxmel L-U-I abgeleitet ist. Lit C ist die Leistungskurve und mit D die von dieser wiederum abgeleitete Spannungskurve des Generators ge*-,en Lnde seiner Nutzungsdauer bezeichnet. Sämtlichen kurven sind Maximalwerte zu Grunde gelegt, wobei Betriebsleistung und - spannung in den von den Kurven und den Koordinaten begrenzten Fliehen liegen. aus den Kurven C bzw. D ist ersichtlicn, ciaß die Maximalleistung des Generators gegen Ende seiner Nutzungsdauer bei b Ampere und seine Maxiinalspannung bei 3 Volt liegt. Bei Verwendung der bekannten Regels;ysteme zur Konstanthaltung der Betriebsspannung würde sich demnach eine Stromstärke von fa Ampere ergeben, die, wie aus Figur 1 ersichtlich, erheblich unter der Maximalleistung des Generators liegt. Demgegenüber betragt die Stromstärke bei Verwendung des erfindungsgemässen Leistungsreglers etwa 10,8 Ampere bei einer Leistung von 1b Watt. Infolge des bei gröaserer Stromstärke erheblicheren Peltier-Efiekts arbeitet das Thermoelement bei weit niedrigeren Temperaturen und hat eine weitaus grössere Lebensdauer und Betriebssicherheit als die bekannten Leistungsregler.

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Nach der iß Figur 2 gezeigten Schaltung einer Ausführungsform des erfindungsgemassen Leistungsreglers ist ein mit . radioaktiven Isotopen betriebener thermoelektrischer Generator 10 über die an die beiden Pole angeschlossenen Leitungen 12 und 14 mit einem Strotaverbraucher, z.B. der Belastung 16 verbunden. Ein Leistungsmesser - vorzugsweise dient hitrsu ein Hall Generator 18 - ist inSeriensonaltung mit» dem Generator 10 über die Leitung 12,ver-. bunden und über die Leitungen 12 und 14 an Spannung gelegt. Auf den Leiter 20 wird durch den Hall Generator ein der Leistung des thermoelektrischen Generators 10 entsprechendes Signal gegeben und über einen mit Masseanschluss 24 versehenen Verstärker 22 der Basis eines NPN -Transistors 26 zugeführt, dessen Emitter - Kollektor Weg parallel zum Generaotr 10 mit den Vorwiderständen 28 und 30 eines Sperrschwingers 32 hintereinandergeschaltet ist. Zu dem bekannten Sperrschwinger yd gehören z.B. die NPN-Transistoren 34 und 36 und der Rückkopplungs- und Drosseltransformator 40 mit der Primärwicklung 38 und der Rückkopplung 42, 44, wobei in bekannter Weise durch die abwechselnd leitenden Transistoren 34 und 36 ein Wechselstrom in der Primärwicklung 38 erzeugt wird, dessen Stärke von der Spannung des Widerstands 30 und damit der jeweiligen Leitfähigkeit des Transistors 26 abhängt. Die Spannung wird hochtransformiert und nach Gleichrichtung durch Zweiweggleionricliter 48 und 50 zusammen mit dem von dem Mittelanschluss 52

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der Sekundärwicklung dem Generator 10 direkt entnommenen Stromanteil deiü Stromverbraucher 1t> zugeführt. Der erfindunt^gemusse Leistungsregler arbeitet folgendermassen. Zu beginn der Nutzungsdauer ist die Generatorspannung auf ihrem niedrigsten Stand und muss zur Erzielung eines dein Ende der iiutzuüfeSdauer entsprechenden erhöhten Spannungsgefälles verstärkt werden. Die Spannungsverstärkung wicd durch ein Ausgangssignal des Hall Generators 1ö eingeleitet, das zu Beginn der Nutzungsdauer sejknen Maximalwerl erreicht, und eine hohe Leitfähigkeit des Transistors 26 bewirkt. Infolgedessen wird ein wesentlicher Teil des vom Generator erzeugten Stro«süber die Widerstände 2ö, 50 des Sperrschwingers 32 der irimärwicklung des Transformators 40 zugeführt und durch diesen verstärkt. Die Schaltelemente sind dabei so ausgelegt, daß die Summe der so verstärkten Spannung und der vom Generator 10 direkt abgegriffenen und der Sekundärwicklung bei 52 zugeführten Spannung das erforderliche iotentialgefälle ergibt. Eine Zunahme der Abgabeleistung des Generators 10 führt zu einer Verstärkung des Ausgangssi_fenals des Leiatungsmessers bzw. des Hall Generators 18 und erhöht damit die Leitfähigkeit des Transistors 26, wodurch die Impedanz der Sperrschwinferschaltung abfällt, und infolge des dann wieder zunehmenden Generatorstroms und gleichzeitigen Spannungsabfalls das Gleichgewicht wiederhergestellt wird. Umgekehrt wird bei einem Leistungsabfall des Generators 10 das Signal des Leistungsmessers schwächer, äüüekk die Leit-

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it des Transistors ^o nimmt ab, woaurcli die impedanz des Sperrschwingers entsjrechend ansteigt, was zu einer Verringerung ues Generatorstioiü_> bei ei^to. rtcheuaar Spannun^serlioijUIi^ führt., soduii aucn in diesem rail das Gleichgewicht wiederhergestellt ist,, xsei deji alljiaiilichen 2Jei"i"ali des Brennstoiis tritt eine Abschw-xchun^. aes in aie jjeituiit_ 2(J |.eS] eisten Signals ein, boaais ein eritS|-i*echend zuneiiiuender Anteil des üeneratorbtrcxa.·: dein "VerbraucL'er direct zugeleitet wird, bia r-e^en :.n-de dei· uufzuns.^üüauer des thermoelektrische!!* Generat-oi^la - ems, rechend der i.ui've G - der Transistor 2b feanz ao-escnalttt wird und die Spannung s ν er s tarnung a.uxh-rt, soaa^i die veruraucncrsi a allein deia ti ir ei-, t ab e.e ^r if Ie η cn Teil der Genera torieis entspricht.

An Stelle der öchaltun_fa 3^ kann eine andere beKannte Schaltung, Verwendung finaen, Jiiit der sich eine V/echselrichtung., Spaimungsverstärkung, und anscnliessende Gleici;-richtunt, erzielen lässt. Ferner kann detk Tranaistor 2b ein Zerhacker vorgeschaltet werden, u. der^i.

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BAD ORlGiMAL

Claims

tatentansprüciie

M./Leistungsregler zur Erzielung einer konstanten Leistungsabgabe eines mit radioaktiven Isotopen betriebenen thermoelektrische^ Generators,

dadurch gekennzeichnet, daß ein an den Generator (10) angeschlossener Leistungsmesser (18) ein der Ausgangsleistung des Generators entsprechendes Signal liefert, welches verstärkt und einer Steuervorrichtung zugeführt wird, die in Abhängigkeit von der Stärke des Signals einen Spannungsverstärker steuert, derart daß bei allmählich abnehmender Ausgangs>stromstärke des Generators und entsprechender Zunahme seiner Ausgangsspannung die Spannungsverstärkung entsprechend abnimmt.
2. Leistungsregler' nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsmesser aus einem Hall Generator(18) besteht.
3· Leistungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung aus einem Transistor (26) besteht, an dessen Basis der Signalverstärker (22) gelegt ist, und dessen Emitter-Kollektor Weg in Eeihe mit dem Spannungsverstärker liegt.

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4. Leistungaregier nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromwandler vor_tesehen ist, der das Gleichatroiusi^nal des nail Generators in Wechselstrom und nach Spannungtsvers tarnung wieder in Gleichstrom wandelt.

5· Leistungsinesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsverstärker aus einem in Reihe mit dem Steuertransistor (26) liegenden Sperrschwinger (32) besteht, dessen Ausgang über einen Zweiweggleichrichter (<+8, 50) mit dem Stronverbraucher (16) verbunden ist.

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