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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zum Laden eines mit einer Stromquelle über zwei Verbindungsleitungen verbindbaren Kondensators, wobei die Schaltungsvorrichtung eine den Ladestrom begrenzende erste Schaltung umfasst.
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Bei Photovoltaikanlagen wird die mit der jeweiligen Anlage erzeugte Energie häufig in einem aus mehreren Batteriezellen bestehenden Energiespeichersystem zwischengespeichert, so dass die gespeicherte Energie bei Bedarf über einen Wechselrichter in das Gebäudenetz eingespeist werden kann. Dabei wird üblicherweise die Gleichspannung zunächst mittels eines Gleichspannungswandlers auf einen gegenüber der Batteriespannung (z. B. 3 V) höheren Spannungswert (z. B. 70 V) transformiert und erst anschließend mittels des Wechselrichters die entsprechende Wechselspannung (z. B. 230 V) erzeugt. Die Gleichspannungswandler bestehen aus einer Eingangsstufe zur Umwandlung der Batteriespannung in eine erste Wechselspannung, die mittels eines Transformators eine zweite Wechselspannung transformieren, und einer Ausgangsstufe zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung mittels steuerbarer Halbleiterschaltelemente (in der Regel Feldeffekttransistoren). Dabei wird zur Glättung der relativ welligen zweiten Gleichspannung dem Gleichspannungswandler ein Zwischenkreiskondensator nachgeschaltet.
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Da der Gleichspannungswandler ausgangsseitig sehr niederohmig ist und keine Strombegrenzung aufweist, würde ein angeschlossener Zwischenkreiskondensator einen hohen Einschaltstrom erzeugen, der die Halbleiterschaltelemente des Wandlers zerstören würde.
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Der Zwischenkreiskondensator muss daher zum Schutz der Halbleiterschaltelemente strombegrenzt geladen werden. Dieses wird üblicherweise dadurch erreicht, dass mindestens ein Widerstand in Reihe mit dem Zwischenkreiskondensator geschaltet wird.
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Das Einfügen eines den Ladestrom begrenzenden Widerstandes in die Verbindungsleitung des Zwischenkreiskondensators weist aber den Nachteil auf, dass bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Gleichspannungswandlers mit nachgeschaltetem Zwischenkreiskondensators ein Teil der zu übertragenden Energie durch den Widerstand vernichtet wird.
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Zwar ist es auch möglich, bei voll geladenem Kondensator den Widerstand mit Hilfe eines mechanischen Relais zu überbrücken, doch ist hierzu eine relativ aufwendige Schaltung zur Ansteuerung des Relais erforderlich. Außerdem arbeiten entsprechende Relais relativ unzuverlässig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsvorrichtung zum Laden eines Kondensators zu offenbaren, die eine Strombegrenzung des Aufladevorganges ermöglicht, welche anschließend einen verlustärmeren Betrieb der Gleichstromquelle mit nachgeschaltetem Zwischenkreiskondensator ermöglicht, als dieses bei bekannten vergleichbaren Schaltungsvorrichtungen möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
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Die Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, zur Strombegrenzung eine erste Schaltung vorzusehen, bei der es sich im Wesentlichen um einen aus einem Feldeffekttransistor, einem Ladewiderstand und einem Integrationskondensator bestehenden Miller-Integrator handelt, wobei die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors und der zu ladende Kondensator eine Reihenschaltung bilden und der Ladewiderstand das Gate des Feldeffekttransistors mit der dem Feldeffekttransistor abgewandten ersten Verbindungsleitung des zu ladenden Kondensators verbindet.
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Durch eine derartige Schaltung wird erreicht, dass die zwischen Drain und Source liegende Spannung des Feldeffekttransistors von seinem Ausgangszustand (gesperrten Zustand) in seinen durchgeschalteten Zustand linear abnimmt und demzufolge die Spannung an dem zu ladenden Kondensator linear zunimmt.
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Dabei ist im geladenen Zustand des Kondensators (durchgeschalteter Zustand des Feldeffekttransistors) der Widerstand des Feldeffekttransistors vernachlässigbar, so dass der Kondensator niederohmig mit dem Ausgang der Gleichstromquelle verbunden ist und die durch den Feldeffekttransistor bedingten Verluste klein sind.
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Da die Spannung am Gate nach Erreichen des durchgeschalteten Zustandes des Feldeffekttransistors weiter zunimmt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Gatespannung mittels einer Z-Diode zu begrenzen, wobei die Durchbruchspannung der Z-Diode größer sein muss als die Schwellenspannung (Uth), d. h. die Spannung am Gate, die mindestens vorhanden sein muss, damit ein Drainstrom fließt.
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Da die Gleichstromquelle mit nachgeschaltetem Glättungskondensator erst dann mit einer Last (z. B. einem Wechselrichter) elektrisch verbunden werden darf, wenn der Kondensator vollständig aufgeladen und der Feldeffekttransistor durchgeschaltet ist, umfasst die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung vorzugsweise eine zweite Schaltung zur Kontrolle des Ladezustandes des Kondensators, die immer dann ein elektrisches Signal erzeugt, wenn der zu ladende Kondensator vollständig aufgeladen ist.
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Dieses elektrische Signal kann dann entweder automatisch eine Schalteinrichtung betätigen, welche die Gleichstromquelle mit der Last verbindet, oder das Signal wirkt auf einen Signalgeber, der anzeigt, dass die Gleichstromquelle mit der Last verbunden werden kann.
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Dabei kann die Signalübertragung von der zweiten Schaltung auf die Schalt- oder Anzeigeeinrichtung drahtgebunden oder drahtlos (z. B. über Optokoppler) erfolgen.
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Als eine derartige Ladekontrollschaltung kann ein Transistor dienen, dessen Kollektor-Emitter-Strecke mit den beiden Verbindungsleitungen zwischen Gleichstromquelle und zu ladendem Kondensator verbunden ist und dessen Basis mit dem Gate des Feldeffekttransistors in Wirkverbindung steht, derart, dass bei Erreichen eines vorgegebenen Spannungswertes an dem Gate der Transistor ein den Ladezustand des zu ladenden Kondensators kennzeichnendes Signal erzeugt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
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1 eine vereinfachte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung;
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2–5 schematisch die Spannungsverläufe an dem Eingang der Schaltungsvorrichtung nach 1 (2) sowie die zwischen dem Gate und dem Source (3), dem Drain und dem Source (4) und an dem zu ladenden Kondensator (5) liegenden Spannungen;
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6 eine vereinfachte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung.
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In 1 ist mit 1 eine Schaltungsvorrichtung zum Laden eines Kondensators 2 bezeichnet. Die Schaltungsvorrichtung 1 ist über Eingangsanschlüsse 3, 4 mit einer niederohmigen Gleichstromquelle 5 (beispielsweise einem mit einer Batterie verbundenen DC/DC-Wandler) sowie über zwei Verbindungsleitungen 6, 7 mit Ausgangsanschlüssen 8, 9 der Schaltungsvorrichtung 1 verbunden. Die Ausgangsanschlüsse 8, 9 sind über eine Schalteinrichtung 10 mit einer Last 11 (beispielsweise einem Wechselrichter) verbindbar.
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Im Falle der 1 besteht die Schaltungsvorrichtung 1 im Wesentlichen nur aus einer den Ladestrom des Kondensators 2 begrenzenden ersten Schaltung, die einen aus einem Feldeffekttransistor 12, einem Ladewiderstand 13 und einem Integrationskondensator 14 bestehenden Miller-Integrator umfasst. Dabei bildet die Drain-Source-Strecke D-S des Feldeffekttransistors 12 und der zu ladende Kondensator 2 eine Reihenschaltung. Der Ladewiderstand 13 verbindet das Gate G des Feldeffekttransistors 12 mit der ersten Leitung 6.
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Außerdem ist zwischen dem Gate G und der zweiten Verbindungsleitung 7 eine Z-Diode 15 zur Begrenzung der Spannung an dem Gate G des Feldeffekttransistors 12 angeordnet.
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Nachfolgend wird mit Hilfe der 2-5 näher auf die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung beim Laden des Kondensators 2 eingegangen:
Sobald an den Eingangsanschlüssen 3, 4 eine Eingangsspannung UE von beispielsweise 70 V anliegt (2), ergibt sich durch entsprechende Wahl des Ladewiderstandes 13 an dem Gate G eine Spannung UG, die etwas oberhalb der Schwellenspannung Uth liegt (z. B. 3 V) (3), so dass durch den Feldeffekttransistor 12, an dessen Drain aufgrund des noch ungeladenen Kondensators 2 ebenfalls 70 V liegen, ein Sourcestrom zu fließen beginnt.
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Durch die Rückkopplung mittels des Integrationskondensators 14 ergibt sich ein im Wesentlichen linear abnehmender Spannungsverlauf UD zwischen Drain D und Source S des Feldeffekttransistors 12 (4). Dadurch steigt die Spannung UC an dem zu ladenden Kondensator 2 linear an (5).
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Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis der Feldeffekttransistor 12 vollständig durchgeschaltet ist, so dass die Spannung UD zwischen Drain D und Source S Null Volt und die Spannung UC an dem zu ladenden Kondensator 70 V betragen.
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Da der Integrationskondensator 14 nun entladen ist und daher den durch den Ladewiderstand 13 fließenden Strom nicht mehr kompensiert, steigt die Gatespannung UC an und wird bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes durch die Durchbruchspannung UZ der Z-Diode begrenzt (3).
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Der geladene Kondensator 2 kann nun mittels der Schalteinrichtung 10 mit der Last 11 verbunden werden.
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In 6 ist eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung 1' dargestellt, die zusätzlich zu der ersten Schaltung zur Begrenzung des Ladestromes des zu ladenden Kondensators 2 eine zweite Schaltung zur Kontrolle des Ladezustandes des zu ladenden Kondensators 2 umfasst. Dabei erzeugt die zweite Schaltung immer dann ein elektrisches Signal, wenn der zu ladende Kondensator 2 vollständig aufgeladen ist.
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Die zweite Schaltung besteht im Wesentlichen aus einem Transistor 18, dessen Kollektror-Emitter-Strecke mit den beiden Verbindungsleitungen 6, 7 verbunden ist, wobei zwischen dem Kollektror K und der ersten Verbindungsleitung 6 ein erster Widerstand 16 angeordnet ist.
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Zur Ansteuerung des Transistors 18 durch die erste Schaltung ist die in 1 mit 15 bezeichnete Z-Diode durch eine Serienschaltung einer entsprechenden Z-Diode 15' und eines zweiten Widerstandes 19 ersetzt. Außerdem ist das Gate G des Feldeffekttransistors 12 über einen Kondensator 17 mit der zweiten Verbindungsleitung 7 verbunden, so dass sich beim Verbinden der Gleichstromquelle 5 mit der Schaltungsvorrichtung 1' zunächst aufgrund des Kondensator 14 und eines mit diesem seriell verbundenen weiteren Widerstandes 20 eine Spannung an dem Gate G des Feldeffekttransistors 12 einstellt, die unterhalb der Schwellenspannung Uth liegt.
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Die Basis B des Transistors 18 ist mit dem der zweiten Verbindungsleitung 7 abgewandten Anschluss des Widerstandes 19 verbunden, so dass bei Erreichen der Durchbruchspannung UZ der Z-Diode 15', bei der der zu ladende Kondensator 2 bereits sicher vollständig geladen ist, der Transistor 18 durchschaltet und an dem ersten Widerstand 16 ein den Ladezustand des zu ladenden Kondensators 2 kennzeichnendes Signal erzeugt wird, welches dann mit Hilfe einer Messeinrichtung 21 ein Schließen der Schalteinrichtung 10 bewirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Schaltungsvorrichtungen
- 2
- Kondensator
- 3, 4
- Eingangsanschlüsse
- 5
- Gleichstromquelle
- 6
- (erste) Verbindungsleitung
- 7
- (zweite) Verbindungsleitung
- 8, 9
- Ausgangsanschlüsse
- 10
- Schalteinrichtung
- 11
- Last
- 12
- Feldeffekttransistor
- 13
- Ladewiderstand
- 14
- Integrationskondensator
- 15, 15'
- Z-Dioden
- 16
- erste Widerstand
- 17
- Kondensator
- 18
- Transistor
- 19
- zweite Widerstand
- 20
- Widerstand
- 21
- Messeinrichtung
- B
- Basis (Transistor)
- E
- Emitter (Transistor)
- K
- Kollektor (Transisitor)
- D
- Drain (Feldeffekttransistor)
- G
- Gate (Feldeffekttransistor)
- S
- Source (Feldeffekttransistor)
