DE19962618A1 - Elektrozaungerät mit einem Transformator geringer Masse - Google Patents

Abstract

In einem Spannungsversorgungsgerät für einen Elektrozaun sind mehrere Speicherkondensatoren (1, 1', ...1'') parallel geschaltet und mehrere Thyristoren (2, 2', ...2'') sind jeweils parallel zu einem Kondensator (1, 1', ...1'') geschaltet, um die individuelle Ladung jedes Kondensators ohne Änderung des Zustands der anderen Kondensatoren zu gewährleisten. Die Entladung der Kondensatoren (1, 1', ...1'') wird derart sequentiell abgerufen, daß der Sekundärseite des Transformators ein aus einer Reihe von Elementarimpulsen zusammengesetzter komplexer Impuls zugeführt wird, wobei jeder elementare Impuls der individuellen Entladung eines Kondensators entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektrozaungerät mit ei­ nem Transformator geringer Masse.

Elektrozaungeräte dienen dazu, Flächen, insbesondere Fel­ der, gegen das Eindringen oder das Verlassen z. B. eines Tieres zu schützen. Diese Zäune umfassen im wesentlichen ein Leiterelement, wie z. B. einen Draht, ein Kabel oder ein Band, welches das zu schützende Gebiet begrenzt, und einen Elektrifizierer, der auf das Leiterelement Impulse hoher Spannung und kontrollierter Energie senden kann. Um die Isolierung zwischen dem Leiterelement des Zauns und der Stromversorgungsquelle des Elektrifizierers zu gewährlei­ sten, umfaßt dieser einen Transformator, der auch das Anhe­ ben der Spannung der Ausgangsimpulse auf den erforderlichen Wert gewährleistet.

Der Stand der Technik ist in Fig. 1 dargestellt, bei der ein Kondensator 1 auf eine Spannung Vc geladen wird und in die Primärseite 4 eines Transformators (4-5-6) auf Befehl eines Thyristors 2 periodisch entladen wird. Der an das Leiterelement des Zauns angelegte Impuls steht zwischen den Klemmen 23 und 24 der Sekundärseite 5 des Transformators (4-5-6) zur Verfügung und hat eine Amplitude sowie eine Dauer. Die Amplitude entspricht der Spannung an den Aus­ gangsklemmen 23, 24 des Transformators. Die elektrische Energie des Impulses ist einerseits seiner Amplitude und andererseits seiner Dauer proportional.

Die in dem Kondensator 1 gespeicherte elektrische Energie wird über den Transformator (4-5-6) auf das Leiterelement des Zauns übertragen. Diese Energieübertragung geschieht mit einer zufriedenstellenden Ausbeute solange der magneti­ sche Kreis 6 nicht gesättigt ist. Mit Beginn der Sättigung nehmen die Verluste in dem magnetischen Kreis 6 rasch zu. Der Strom in der Primärseite 4 des Transformators erreicht hohe Werte, was zu hohen Verlusten durch den Joule-Effekt führt. Jeder Erhöhung der in dem Kondensator 1 gespeicher­ ten Energie entspricht daher nur eine marginale Erhöhung der auf das Leiterelement des Zauns übertragenen Energie.

Wenn die Energie des an das Leiterelements des Zauns ange­ legten Impulses wesentlich erhöht werden soll, ist es daher notwendig, einen nicht gesättigten magnetischen Kreis, das heißt einen magnetischen Kreis mit größerem Querschnitt und somit größeren Abmessungen und größerer Masse und höheren Kosten zu verwenden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Elektrozaungerät bereitzustellen, das es gestattet, Impulse großer Energie mit einem Transformator geringer Masse zu übertragen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektrozaun­ gerät mit einem Transformator, der einen magnetischen Kreis geringer Masse hat, mit einem Trenntransformator für das Leiterelement des an die Sekundärseite des Transformators angeschlossenen Zauns; einem Kondensator zur Speicherung elektrischer Energie; und einem Thyristor, der durch ein an seinen Gate-Anschluß angelegtes Steuerungssignal leitend gemacht werden kann, um die Entladung des Speicherkondensa­ tors über die Primärseite des Transformators und die Abgabe eines Impulses an die Sekundärseite zu gewährleisten, da­ durch gekennzeichnet, daß es aufweist:

• - mehrere parallel geschaltete Speicherkondensatoren,
• - mehrere Thyristoren, die jeweils parallel zu einem Kon­ densator geschaltet sind, um eine individuelle Entladung jedes Kondensators ohne Änderung des Zustands der anderen Kondensatoren zu gewährleisten,
  und daß
• - die Entladung der Kondensatoren derart sequentiell ge­ steuert wird, daß der Sekundärseite des Transformators ein aus einer Reihe elementarer Impulse zusammengesetzter komplexer Impuls zugeführt wird, wobei jeder elementare Impuls der individuellen Entladung eines Kondensators entspricht, wobei diese individuelle Entladung erst dann abgerufen wird, wenn der magnetische Kreis in seinen An­ fangszustand zurückgekehrt ist.

Weitere Merkmale sind:

• - Die Primärseite des Transformators ist zwischen den ge­ meinsamen Punkt der Speicherkondensatoren und den gemein­ samen Punkt der Thyristoren geschaltet;
• - Jeder der Speicherkondensatoren ist mit einer Diode in Reihe geschaltet, wobei die Dioden einen gemeinsamen Punkt haben;
• - Der gemeinsame Punkt der Dioden ist die Kathode;
• - Der gemeinsame Punkt der Dioden ist die Anode;
• - Jeder Schaltungszweig, der einen Kondensator und eine Diode in Reihe aufweist, ist zwischen dem gemeinsamen Punkt der Kondensatoren und dem gemeinsamen Punkt der Dioden geschaltet;
• - Die Entladung der Kondensatoren wird durch eine programm­ gesteuerte elektronische Schaltung sequentiell abgerufen.

Weitere Merkmale ergeben sich aus der nun folgenden Be­ schreibung anhand der beigefügten Zeichnung, wobei:

Fig. 1 ein vereinfachtes partielles elektrisches Schaltbild eines Elektrifizierers nach dem Stand der Technik zeigt;

Fig. 2 eine Kurve ist, die den zeitlichen Verlauf der Klem­ menspannung eines Kondensators zur Energiespeiche­ rung während des Abgebens eines Impulses zeigt;

Fig. 3 eine Kurve ist, die den allgemeinen Verlauf der zeitlichen Entwicklung der magnetischen Induktion (magnetischen Flußdichte) in Abhängigkeit vom Ma­ gnetfeld in dem magnetischen Kreis des Transforma­ tors von Fig. 1 zeigt;

Fig. 4 ein vereinfachtes partielles elektrisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrifizierers zeigt; und

Fig. 5 ein vereinfachtes partielles elektrisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemä­ ßen Elektrifizierers zeigt.

In Fig. 1 ist der bekannte Elektrifizierer durch einen Kon­ densator 1 zur Speicherung elektrischer Energie, einen Transformator 4-5-6 zur Isolierung und Anhebung der Span­ nung sowie einen Thyristor 2 mit Gate-Anschluß 3 symbolisch dargestellt. Eine Diode 7 ist am Thyristor 2 in der her­ kömmlichen Weise umgekehrt geschaltet. Zwischen den Klemmen 23, 24 der Sekundärseite 5 des Transformators ist das nicht dargestellte Leiterelement des Zauns geschaltet.

Der Kondensator 1 wird unter einer Spannung Vc von mehreren 100 Volt durch eine an sich bekannte, nicht dargestellte Ladeschaltung geladen, die an den Eingangsklemmen 21, 22 liegt. Mit einer Periode von etwa einer Sekunde wird ein Steuerungssignal an den Gate-Anschluß 3 des Thyristors 2 angelegt, der leitend wird. Der Kondensator 1 entlädt sich dann in der Primärwicklung 4 des Transformators. Der magne­ tische Kreis 6 gewährleistet die Kopplung der Primärseite 4 mit der Sekundärseite 5. An den Klemmen der Sekundärseite 5 wird ein Hochspannungsimpuls z. B. mit mehreren 1000 Volt abgegeben. Während der Entladung des Kondensators inimint die magnetische Induktion in dem magnetischen Kreis 6 zu, und danach wieder ab.

Fig. 2 gibt den zeitlichen Verlauf der Spannung an den Klemmen des Kondensators 1 im Verlaufe einer Entladung. Am Punkt A wurde der Kondensator auf seine maximale Spannung geladen, und der Thyristor 2 wird leitend gemacht. Die Spannung an den Klemmen des Kondensators 1 nimmt ab, geht am Punkt B durch Null hindurch, woraufhin sie aufgrund der Selbstinduktion durch die Primärseite des Transformators negativ wird. Vom Punkt C aus nimmt die Spannung an den Klemmen des Kondensators 1 zu, bis sie den Wert Null am Punkt A' erreicht.

Zwischen den Punkten C und A' ändert der die Primärseite 4 durchquerende Strom die Richtung und tritt durch die Diode 7 hindurch.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Induktion in Abhän­ gigkeit von der magnetischen Feldstärke in dem magnetischen Kreis 6 im Verlaufe derselben Entladung. Die Gesetze des Magnetismus zeigen, daß die zeitliche Änderung der magneti­ schen Induktion in dem magnetischen Kreis 6 proportional zu der an der Primärseite 4 des Transformators angelegten Spannung ist, wobei bei der Proportionalitätskonstante hauptsächlich der Querschnitt des magnetischen Kreises 6 auftritt.

Zwischen den Punkten A und B von Fig. 2 ist die Spannung an den Klemmen des Kondensators 1 positiv, weshalb die magne­ tische Induktion zunimmt und ihr Maximum B_max am Punkt B von Fig. 3 erreicht. Zwischen den Punkten B, C und A' von Fig. 2 ist die Spannung an den Klemmen des Kondensators 1 nega­ tiv, weshalb die magnetische Induktion abnimmt.

Die genaue Form der Spannung an den Klemmen des Kondensa­ tors 1 in Abhängigkeit von der Zeit wie auch die Induktion in Abhängigkeit vom Magnetfeld hängt selbstverständlich von den Werten der Elemente sowie von der Beschaffenheit des den magnetischen Kreis 6 bildenden Materials ab. Wenn ein dauerhafter Zustand erreicht ist, findet man bei jedem Im­ puls einen zum vorherigen identischen Verlauf wieder, und der magnetische Kreis befindet sich am Ende des Impulses in einem Zustand, der mit dem, den er zu Beginn hatte, iden­ tisch ist. In dem Diagramm von Fig. 3 verschmelzen daher die Punkte A und A' und stellen den Anfangszustand des ma­ gnetischen Kreises dar.

In Fig. 4 sind die Eingangsklemmen 21 und 22 mit der be­ kannten und nicht dargestellten Ladeschaltung wie in Fig. 1 verbunden. Zwischen diesen Klemmen 21 und 22 ist eine Diode 12 geschaltet, die dieselbe Aufgabe hat wie die Diode 7 von Fig. 1. Die Primärseite 4 des Transformators ist zwischen der Eingangsklemme 21 und einem gemeinsamen Punkt 10 ge­ schaltet. Mehrere Speicherkondensatoren 1, 1', . . ., 1" sind zwischen dem gemeinsamen Punkt 10 und der Eingangsklemme 22 parallel geschaltet, wobei jeder dieser Kondensatoren mit einer jeweiligen Diode 8, 8', . . ., 8" in Reihe geschaltet ist, um zu verhindern, daß sie sich ineinander entladen. Der gemeinsame Punkt bei der Kathode der Dioden 8, 8', . . . 8" ist einerseits mit der Anode der Diode 12 und anderer­ seits mit der Eingangsklemme 22 verbunden. Parallel zur Primärseite 4 und zu jedem der Kondensatoren zur Energie­ speicherung 1, 1', . . ., 1" ist ein jeweiliger Thyristor 2, 2', . . . 2" jeweils mit einem Gate-Anschluß 3, 3', . . . 3" geschaltet.

Zwischen dem gemeinsamen Punkt 10 der Kondensatoren 1, 1', . . ., 1" und dem gemeinsamen Punkt 11 der Anoden der Thy­ ristoren 2, 2', . . ., 2" ist die Primärseite 4 des Transfor­ mators zur Isolierung und Spannungserhöhung geschaltet, die über den magnetischen Kreis 6 mit der Sekundärseite 5 ge­ koppelt ist, deren Ausgangsklemmen 23, 24 das Leiterelement des Zauns speisen.

In Fig. 5 tragen dieselben Bestandteile wie in Fig. 4 die­ selben Bezugsziffern, und die Anordnung der Dioden 8, 8', . . ., 8" ist bezüglich der Speicherkondensatoren 1, 1', . . ., 1" umgekehrt. Der gemeinsame Punkt der Dioden 8, 8', . . ., 8" ist mit der Eingangsklemme 21 und mit der Katho­ de der Diode 12 verbunden. Die Primärseite 4 des Transfor­ mators ist zwischen dem gemeinsamen Punkt 10 der Kondensa­ toren und dem gemeinsamen Punkt 11 der Kathoden der Thyri­ storen 2, 2', . . ., 2" geschaltet.

In den beiden Ausführungsbeispielen von Fig. 4 und 5 ist jeder Zweig der Schaltung, der einen Kondensator und eine Diode in Reihe enthält, zwischen dem gemeinsamen Punkt der Kondensatoren und dem gemeinsamen Punkt der Dioden geschal­ tet.

Bei den beiden Ausführungsbeispielen von Fig. 4 und 5 ist die Funktionsweise des Elektrifizierers dieselbe. Die Kon­ densatoren 1, 1', . . ., 1" werden auf dieselbe Spannung Vc von mehreren 100 Volt durch ein bekanntes und nicht darge­ stelltes Mittel geladen. Die Dioden 8, 8', . . ., 8" gewähr­ leisten, daß die Kondensatoren 1, 1', . . ., 1" auf dieselbe Spannung geladen werden und daß jeder individuell ohne Än­ derung des Zustands der anderen Kondensatoren entladen wer­ den kann.

Ein Steuerungsimpuls wird an dem Gate-Anschluß 3 des Thyri­ stors 2 angelegt, der wieder leitend wird. Der Kondensator 1 wird durch die Primärseite 4 des Transformators entladen, und ein erster Impuls tritt an den Klemmen der Sekundärsei­ te 5 auf. Die Kondensatoren 1' und 1" bleiben durch die vorhandenen Dioden 8' und 8" geladen, die verhindern, daß er sich in den Kondensator 1 entlädt. Wenn am Ende dieses ersten Impulses der magnetische Kreis 6 in seinen Anfangs­ zustand am Punkt A' von Fig. 3 zurückgekehrt ist, wird ein Steuerungsimpuls an dem Gate-Anschluß 3' des Thyristors 2' angelegt, der wieder leitend wird. Der Kondensator 1' wird durch die Primärseite 4 des Transformators entladen, und ein zweiter Impuls tritt an den Klemmen der Sekundärseite 5 auf. Der Vorgang wiederholt sich, bis der letzte Thyristor 2" leitend gemacht wird und den letzten Kondensator 1" entlädt.

Somit tritt an der Sekundärseite ein komplexer Impuls auf, der aus einer Reihe mehrerer aufeinanderfolgender individu­ eller Impulse besteht. Wenn alle Kondensatoren 1, 1', . . ., 1", die unter derselben Spannung geladen werden, gleich sind, liefert jeder individuelle Impuls an der Sekundärsei­ te 6 des Transformators dieselbe Energie. Wenn die Konden­ satoren nicht alle dieselbe Kapazität haben, sind die an der Sekundärseite zugeführten Energien unterschiedlich. In beiden Fällen ist die Energie des komplexen Impulses die Summe der Energien der Einzelimpulse. Die Größenordnung der Dauer eines Einzelimpulses liegt zwischen einigen 100 µs und 1 bis 2 ms. Die physiologischen Phänomene, welche die Ursachen der Schmerzempfindung sind, die ein Tier beim Be­ rühren des Zaundrahtes spürt, haben Ansprechzeiten von meh­ reren 10 bis mehreren 100 ms. Solange die Gesamtdauer des komplexen Impulses unter etwa 20 ms bleibt, ist daher die von dem Tier gespürte Empfindung identisch zu derjenigen, die es spürt, wenn es einen einzigen Impuls empfängt, des­ sen Energie gleich der Summe der Energien der Einzelimpulse wäre.

Mit einem Transformator, dessen magnetischer Kreis eine ge­ ringe Masse hat und der eine Energie E unter guter Ausbeute übertragen kann, ermöglicht es daher der erfindungsgemäße Elektrifizierer, der mit mehreren Kondensatoren zur Spei­ cherung einer individuellen Energie ausgestattet ist, die höchstens gleich E ist, und die der Reihe nach entladen werden können, zu dem Leiterelement des Zauns den Gegenwert eines Impulses zu übertragen, dessen Energie die Summe der durch die Kondensatoren gespeicherten Einzelenergien ist (wobei die Zahl der Kondensatoren mindestens gleich 2 ist).

Wenn dieselbe Energie durch einen Elektrifizierer gemäß dem Stand der Technik übertragen werden müßte, hätte der zu verwendende Transformator viel größere Abmessungen und so­ mit eine viel größere Masse und Kosten.

Als Beispiel ermöglichen es gemäß dem in Fig. 1 dargestell­ ten Stand der Technik ein Speicherkondensator mit 25 µF und ein 1 kg wiegender Transformator, an die Sekundärseite un­ ter einer Spannung von 6 bis 7 kV einen Impuls abzugeben, der einer Energie von etwa 4 J entspricht. Dieser Impuls hat eine Dauer von etwa 0,4 ms.

Erfindungsgemäß werden zwei Kondensatoren mit jeweils 12 µF an der Primärseite verwendet, und sie ermöglichen es, an die Sekundärseite jeweils einen Impuls unter einer Spannung von 6 bis 7 kV abzugeben, was einer Energie von etwa 2 J entspricht. Jeder Impuls hat eine Dauer von 0,2 ms.

Die beiden Impulse sind durch ein Intervall von etwa 5 ms getrennt, was notwendig ist, damit der magnetische Kreis nach der Entladung des ersten Kondensators in seinen an­ fänglichen Zustand zurückkehrt, und ausreicht, damit das Tier, das den Zaun berührt, nur einen Gesamtimpuls von 4 J wahrnimmt. In einem solchen Fall wiegt der Transformator nur 0,3 kg, wodurch eine nennenswerte Einsparung an Ge­ wicht, Platzbedarf und Kosten im Vergleich zum Stand der Technik erzielt wird.

Um die Reihenfolge der aufeinanderfolgenden Entladungen der Kondensatoren zu gewährleisten, ist es notwendig, die Peri­ odizität der Steuerungssignale der Gate-Anschlüsse der Thy­ ristoren zu steuern. Diese Periodizität kann durch eine Steuerungsschaltung gewährleistet werden, wobei es sich entweder um eine Analogschaltung oder um eine programmge­ steuerte elektronische Schaltung handeln kann.

Sobald der magnetische Kreis 6 nach einer Entladung eines Speicherkondensators in seinen Anfangszustand zurückgekehrt ist, ist es erfindungsgemäß möglich, die Entladung eines weiteren Speicherkondensators usw. durchzuführen. Bei einem Elektrifizierer des Stands der Technik (Fig. 1) muß man je­ doch darauf warten, daß der Kondensator erneut geladen wird, um eine neue Entladung durchzuführen.

Claims (7)

1. Elektrozaungerät mit einem Transformator, der einen magnetischen Kreis geringer Masse hat, mit einem Trenn­ transformator für das an die Sekundärseite des Transforma­ tors angeschlossene Leiterelement des Zauns; einem Konden­ sator zur Speicherung elektrischer Energie; und einem Thy­ ristor, der durch ein an seinen Gate-Anschluß angelegtes Steuerungssignal leitend gemacht werden kann, um die Entla­ dung des Speicherkondensators durch die Primärseite des Transformators und die Abgabe eines Impulses an die Sekun­ därseite zu gewährleisten, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

• - mehrere parallel geschaltete Speicherkondensatoren (1, 1', . . ., 1"),
• - mehrere Thyristoren, (2, 2', . . ., 2"), die jeweils paral­ lel zu einem Kondensator (1, 1', . . ., 1") geschaltet sind, um eine individuelle Entladung jedes Kondensators ohne Än­ derung des Zustands der anderen Kondensatoren zu gewährlei­ sten,
  und daß
• - die Entladung der Kondensatoren (1, 1', . . ., 1") derart sequentiell gesteuert wird, daß der Sekundärseite des Transformators ein aus einer Reihe elementarer Impulse zu­ sammengesetzter komplexer Impuls zugeführt wird, wobei je­ der elementare Impuls der individuellen Entladung eines Kondensators (1, 1', . . ., 1") entspricht, wobei diese indi­ viduelle Entladung erst dann abgerufen wird, wenn der ma­ gnetische Kreis in seinen Anfangszustand zurückgekehrt ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärseite (4) des Transformators zwischen dem gemeinsamen Punkt (10) der Speicherkondensatoren (1, 1', . . ., 1") und dem gemeinsamen Punkt (11) der Thyristoren (2, 2', . . ., 2") geschaltet ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je­ der der Speicherkondensatoren (1, 1', . . ., 1") mit einer Diode (8, 8', . . ., 8") in Reihe geschaltet ist, wobei die Dioden (8, 8', . . ., 8") einen gemeinsamen Punkt haben.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Punkt der Dioden (8, 8', . . ., 8") die Kathode ist.

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Punkt der Dioden (8, 8', . . ., 8") die Anode ist.

6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je­ der Schaltungszweig, der einen Kondensator (1, 1', . . ., 1") und eine Diode (8, 8', . . ., 8") in Reihe aufweist, zwischen dem gemeinsamen Punkt (10) der Kondensatoren und dem ge­ meinsamen Punkt der Dioden geschaltet ist.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung der Kondensatoren (1, 1', . . ., 1") durch eine pro­ grammgesteuerte elektronische Schaltung sequenziell abgeru­ fen wird.