DE19962618B4

DE19962618B4 - Elektrozaungerät mit einem Transformator geringer Masse

Info

Publication number: DE19962618B4
Application number: DE19962618A
Authority: DE
Inventors: Valéry Hamm; Ives Mulet-Marquis
Original assignee: Lacme SA
Current assignee: Lacme SA
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: FR2787964B1; FR2787964A1; NZ501986A; US6479909B1; DE19962618A1

Abstract

Elektrozaungerät mit:
– einem Transformator (4, 5, 6), dessen Sekundärseite (5) für den Anschluss an ein Leiterelement eines Zaunes vorgesehen ist;
– mehreren Speicherkondensatoren (1, 1',... 1''), die in parallelen Strompfaden (8, 1; 8', 1',... 8'', 1'') zum Aufladen der Speicherkondensatoren und jeweils in Serie zur Primärseite (4) des Transformators angeordnet sind;
– und mehreren Thyristoren (2, 2',... 2''), die jeweils parallel zu der Serienschaltung aus der Primärseite (4) und einem der Speicherkondensatoren geschaltet und jeweils durch ein ihnen zugeführtes Steuersignal leitend gemacht werden können, um eine individuelle Endladung jedes Speicherkondensators durch die Primärseite (4) des Transformators zur Erzeugung eines Impulses an der Sekundärseite ohne Änderung des Zustands der anderen Kondensatoren zu bewirken;
– wobei die Thyristoren (2, 2',... 2'') sequentiell gesteuert werden, um an der Sekundärseite (5) des Transformators (4, 5, 6) eine Impulsfolge aus Einzelimpulsen zu erzeugen, von denen jeder der Einzelentladung eines Kondensators...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektrozaungerät mit einem Transformator geringer Masse.
Elektrozaungeräte dienen dazu, Flächen, insbesondere Felder, 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 gewährleisten, umfaßt dieser einen Transformator, der auch das Anheben der Spannung der Ausgangsimpulse auf den erforderlichen Wert gewährleistet.
Der Stand der Technik ist in 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 Ausgangsklemmen 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 magnetische 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 gespeicherten Energie entspricht daher nur eine marginale Erhöhung der auf das Leiterelement des Zauns übertragenen Energie.
Wenn die Energie des an das Leiterelements des Zauns angelegten 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.

Aus EP 0 454 543 A1 ist ein Elektrozaungerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, welches zwei Speicherkondensatoren aufweist, von denen der eine niedrigere und der andere höhere Impulse erzeugt. Die Impulse werden mit seitlichen Abständen von 1 bis 2 Sekunden derart erzeugt, daß auf mehrere kleinere Impulse ein höherer Impuls folgt. Damit wird eine Energieersparnis im Dauerbetrieb bezweckt. Das Problem, die Energie eines Einzelimpulses zu erhöhen, wird nicht angesprochen.

Aus US 5742104A ist ein Elektrozaun mit zwei Kondensatoren bekannt, von denen der eine für niedrige Belastungen (hoher Erdungswiderstand des Zaundrahts) und der andere für z.B. witterungsbedingt auftretende hohe Belastungen (niedriger Erdungswiderstand des Zaundrahts) in Betrieb genomen wird. Die Zuschaltung des zweiten Kondensators wird von einem Sensor gesteuert. Die Entladung des zweiten Kondensators erfolgt kurz nach dem Beginn der Entladung des ersten Kondensators und während des gleichen Entladungszyklus.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Elektrozaungerät bereit zu stellen, das es gestattet Impulse großer Energie mit einem Transformator geringer Masse auf ein den Zaun berührendes Tier zu übertragen.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Durch die Erzeugung von Impulsfolgen in Form jeweils eines komplexen Impulses mit einer Gesamtdauer von weniger als 20 ms wird erreicht, daß ein den Zaun berührendes Tier diesen komplexen Impuls als einen einzigen Gesamtimpuls fühlt, dessen Energie der Summe der Energien der Einzelimpluse entspricht. Dadurch kann eine hohe Impulsenergie auf das Tier übertragen werden, ohne daß die Energie jedes Einzelimpulses erhöht zu werde braucht.

Weitere vorteilhafte Merkmale zur Weiterbildung der Erfindung sind:

– Die Primärseite des Transformators ist zwischen den gemeinsamen Punkt der Speicherkondensatoren und den gemeinsamen 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 programmgesteuerte elektronische Schaltung sequentiell abgerufen.

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

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

2 eine Kurve ist, die den zeitlichen Verlauf der Klemmenspannung eines Kondensators zur Energiespeicherung während des Abgebens eines Impulses zeigt;

3 eine Kurve ist, die den allgemeinen Verlauf der zeitlichen Entwicklung der magnetischen Induktion (magnetischen Flußdichte) in Abhängigkeit vom Magnetfeld in dem magnetischen Kreis des Transformators von 1 zeigt;

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

5 ein vereinfachtes partielles elektrisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrifizierers zeigt.

In 1 ist der bekannte Elektrifizierer durch einen Kondensator 1 zur Speicherung elektrischer Energie, einen Transformator 4-5-6 zur Isolierung und Anhebung der Spannung sowie einen Thyristor 2 mit Gate-Anschluß 3 symbolisch dargestellt. Eine Diode 7 ist am Thyristor 2 in der herkömmlichen 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 magnetische 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 1 nimmt die magnetische Induktion in dem magnetischen Kreis 6 zu, und danach wieder ab.

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.

3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Induktion in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke in dem magnetischen Kreis 6 im Verlaufe derselben Entladung. Die Gesetze des Magnetismus zeigen, daß die zeitliche Änderung der magnetischen 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 2 ist die Spannung an den Klemmen des Kondensators 1 positiv, weshalb die magnetische Induktion zunimmt und ihr Maximum B_max am Punkt B von 3 erreicht. Zwischen den Punkten B, C und A' von 2 ist die Spannung an den Klemmen des Kondensators 1 negativ, weshalb die magnetische Induktion abnimmt.

Die genaue Form der Spannung an den Klemmen des Kondensators 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 Impuls 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, identisch ist. In dem Diagramm von 3 verschmelzen daher die Punkte A und A' und stellen den Anfangszustand des magnetischen Kreises dar.

In 4 sind die Eingangsklemmen 21 und 22 mit der bekannten und nicht dargestellten Ladeschaltung wie in 1 verbunden. Zwischen diesen Klemmen 21 und 22 ist eine Diode 12 geschaltet, die dieselbe Aufgabe hat wie die Diode 7 von 1. Die Primärseite 4 des Transformators ist zwischen der Eingangsklemme 21 und einem gemeinsamen Punkt 10 geschaltet. 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 andererseits mit der Eingangsklemme 22 verbunden. Parallel zur Primärseite 4 und zu jedem der Kondensatoren zur Energiespeicherung 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 Thyristoren 2, 2',... 2'' ist die Primärseite 4 des Transformators zur Isolierung und Spannungserhöhung geschaltet, die über den magnetischen Kreis 6 mit der Sekundärseite 5 gekoppelt ist, deren Ausgangsklemmen 23, 24 das Leiterelement des Zauns speisen.

In 5 tragen dieselben Bestandteile wie in 4 dieselben 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 Kathode der Diode 12 verbunden. Die Primärseite 4 des Transformators ist zwischen dem gemeinsamen Punkt 10 der Kondensatoren und dem gemeinsamen Punkt 11 der Kathoden der Thyristoren 2, 2',... 2'' geschaltet.

In den beiden Ausführungsbeispielen von 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 geschaltet.

Bei den beiden Ausführungsbeispielen von 4 und 5 ist die Funktionsweise des Elektrifizierers dieselbe. Die Kondensatoren 1, 1',... 1'' werden auf dieselbe Spannung Vc von mehreren 100 Volt durch ein bekanntes und nicht dargestelltes Mittel geladen. Die Dioden 8, 8',... 8'' gewährleisten, daß die Kondensatoren 1, 1',... 1'' auf dieselbe Spannung geladen werden und daß jeder individuell ohne Änderung des Zustands der anderen Kondensatoren entladen werden kann.

Ein Steuerungsimpuls wird 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 erster Impuls tritt an den Klemmen der Sekundärseite 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 Anfangszustand am Punkt A' von 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 individueller Impulse besteht. Wenn alle Kondensatoren 1, 1',... 1'', die unter derselben Spannung geladen werden, gleich sind, liefert jeder individuelle Impuls an der Sekundärseite 6 des Transformators dieselbe Energie. Wenn die Kondensatoren 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 pysiologischen Phänomene, welche die Ursachen der Schmerzempfindung sind, die ein Tier beim Berühren des Zaundrahtes spürt, haben Ansprechzeiten von mehreren 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, dessen Energie gleich der Summe der Energien der Einzelimpulse wäre.

Mit einem Transformator, dessen magnetischer Kreis eine geringe Masse hat und der eine Energie E unter guter Ausbeute übertragen kann, ermöglicht es daher der erfindungsgemäße Elektrifizierer, der mit mehreren Kondensatoren zur Speicherung 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 somit eine viel größere Masse und Kosten.

Als Beispiel ermöglichen es gemäß dem in 1 dargestellten Stand der Technik ein Speicherkondensator mit 25 μF und ein 1 kg wiegender Transformator, an die Sekundärseite unter 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 anfänglichen Zustand zurückkehrt, und ausreicht, damit das Tier, das den Zaun berührt, nur einen Gesamtimpuls von 4J wahrnimmt. In einem solchen Fall wiegt der Transformator nur 0,3 kg, wodurch eine nennenswerte Einsparung an Gewicht, 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 Periodizität der Steuerungssignale der Gate-Anschlüsse der Thyristoren zu steuern. Diese Periodizität kann durch eine Steuerungsschaltung gewährleistet werden, wobei es sich entweder um eine Analogschaltung oder um eine programmgesteuerte 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 (1) muß man jedoch darauf warten, daß der Kondensator erneut geladen wird, um eine neue Entladung durchzuführen.

Claims

Elektrozaungerät mit: – einem Transformator (4, 5, 6), dessen Sekundärseite (5) für den Anschluss an ein Leiterelement eines Zaunes vorgesehen ist; – mehreren Speicherkondensatoren (1, 1',... 1''), die in parallelen Strompfaden (8, 1; 8', 1',... 8'', 1'') zum Aufladen der Speicherkondensatoren und jeweils in Serie zur Primärseite (4) des Transformators angeordnet sind; – und mehreren Thyristoren (2, 2',... 2''), die jeweils parallel zu der Serienschaltung aus der Primärseite (4) und einem der Speicherkondensatoren geschaltet und jeweils durch ein ihnen zugeführtes Steuersignal leitend gemacht werden können, um eine individuelle Endladung jedes Speicherkondensators durch die Primärseite (4) des Transformators zur Erzeugung eines Impulses an der Sekundärseite ohne Änderung des Zustands der anderen Kondensatoren zu bewirken; – wobei die Thyristoren (2, 2',... 2'') sequentiell gesteuert werden, um an der Sekundärseite (5) des Transformators (4, 5, 6) eine Impulsfolge aus Einzelimpulsen zu erzeugen, von denen jeder der Einzelentladung eines Kondensators (1, 1', 1'') entspricht, – und wobei jede Einzelentladung in solchem zeitlichen Abstand von der vorhergehenden ausgelöst wird, dass der magnetische Kreis des Transformators in seinen Anfangszustand zurückgekehrt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Folge von Einzelimpulsen als komplexer Impuls mit einer Gesamtdauer von weniger als 20ms erzeugt wird derart, dass der komplexe Impuls von einem Tier als Summe der Energien der Einzelimpulse empfunden wird.
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.
Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder 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.
Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Punkt der Dioden (8, 8',... 8'') die Kathode ist.
Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Punkt der Dioden (8, 8',... 8'') die Anode ist.
Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder 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 gemeinsamen Punkt der Dioden geschaltet ist.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung der Kondensatoren (1, 1',... 1'') durch eine programmgesteuerte elektronische Schaltung sequenziell abgerufen wird.