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Vorrichtung zum Betreiben eines elek-
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trischen Gerätes, beispielsweise eines Elektro-Weidezaungerätes, aus
einem Solarzellengenerator Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betreiben
eines elektrischen Gerätes, beispielsweise eines Elektro-Weidezaungerätes, aus einem
Solarzellengenerator unter Zwischenschaltung eines Speicherakkumulators und eines
einen Transformator, einen Schalttransistor und einen Steuerkreis für den Schalttransistor
enthaltenden DC-DC-Wandlers zwischen dem Solarzellengenerator und dem Akkumulator
zum Anheben der im Solarzellengenerator erzeugten, schwankenden elektrischen Spannung
U1 über die Klemmenspannung U2 des Akkumulators.
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Bei diesen Vorrichtungen wird der Speicher akkumulator vorgesehen,
um dem nachgeschalteten Gerät einen Konstantstrom zuführen zu können unabhängig
davon, ob der Solarzellengenerator je nach Lichteinstrahlung einen mehr oder weniger
grossen Strom bzw. mehr oder weniger hohe elektrische Spannung erzeugt. Naturgemäss
ist aber eine Einspeisung von elektrischem Strom in den Speicherakkumulator nur
dann möglich, wenn die treibende Spannung grösser als die Klemmenspannung des Akkumulators
selbst ist.
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Hierzu sind bereits zwei Möglichkeiten bekannt: 1) Benutzung eines
Solarzellengenerator, dessen unterste Spannung noch über der Akkumulator-Klemmenspannung
liegt oder 2) Einschalten eines DC-DC-Wandlers, der aus einer Spannungsquelle mit
niedriger Spannung durch Umwandlung eine Gleichspannung erzeugt, die immer über
der Klemmenspannung des Akkumulators liegt.
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Die bekannte Direkteinspeisung vom Solarzellengenerator zum Akkumulator
ohne Wandler ist unzweckmässig, weil eine relativ hohe Generatorspannung erforderlich
ist, die nur durch Reihenschaltung einer Vielzahl von Solarzellen zu erreichen ist.
Bei vielen Einzelzellen kleiner Leistung sind die Verluste grösser - die Leistungsfähigkeit
wird bestimmt durch das schwächste Element der Kette.
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Bei der bekannten Speisung des Akkumulators aus dem Solarzellengenerator
über einen DC-DC-Wandler können weniger aber grössere Einzelzellen benutzt werden,
deren Summenspannung aber niedriger ist und z.B. bei stärkerer Lichteinstrahlung
über der Klemmenspannung des Akkumulators und bei schwächerer Lichteinstrahlung
unterhalb der Klemmenspannung des Akkumulators liegt. Hierbei ergibt sich aber die
Schwierigkeit, dass die für die vorliegende Anwendung infrage kommenden einfachen
DC-DC-Wandler einen optimalen Wirkungsgrad bei einer bestimmten Einstellung, beispielsweise
80% bei hoher Eingangsspannung oder 80% bei niedriger Eingangsspannung aufweisen,
nicht aber 80% gleichzeitig bei hoher und niedriger Eingangsspannung. Die bekannten
DC-13C:-Wandler müssen also an einen jeweiligen typischen Anwendungsfall angepasst
werden. Bei starker Abweichung von dieser Anwendung wird der Wirkungsgrad sehr viel
schlechter als das Optimum, beispielsweise nur noch 40%.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Betreiben
eines elektrischen Gerätes aus einem Solarzellengenerator zu schaffen, bei dem der
zwischen dem Solarzellengenerator und dem zu betreibenden elektrischen Gerät angeordnete
DC-DC-Wandler derart angepasst werden soll, dass er sowohl bei geringerer Belichtung
des Solarzellengenerators, beispielsweise bei Regenwetter als auch bei starker Belichtung,
beispielsweise bei
sonnigem Wetter, mit optimalem Wirkungsgrad Strom
aus dem Solarzellengenerator entnimmt und in den Speicherakkumulator einspeist.
Diese Aufgabenstellung wird deutlich an dem folgenden Beispiel: Bei Regenwetter
soll noch genügend Strom erzeugt werden und der Wirkungsgrad noch optimal sein,
um das elektrische Gerät aus dem Solarzellengenerator zu betreiben. Bei bewölktem
Himmel ohne Regen soll aber schon so viel Strom erzeugt werden, dass nicht nur das
Gerät betrieben wird, sondern schon auch eine Stromspeicherung im Akkumulator erfolgt,
z.B. für den Nachtbetrieb. Die in unseren Breiten auftretenden wenigen Sonnenstunden
sollten darüberhinaus auch optimal genutzt werden, um wiederum den Speicher akkumulator
aufzuladen und einen Langzeitvorrat an elektrischer Energie zu speichern.
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Herkömmliche DC-DC-Wandler sind nicht in der Lage, alle diese Forderungen
nach optimaler Anpassung zu erfüllen, mit dem Ergebnis, dass zur Aufrechterhaltung
eines sicheren Betriebes mehr Solarzellenkapazität als notwendig aufgewendet werden
muss, was bei den z.Zt. hohen Solarzellenpreisen nachteilig für den Verbraucher
ist und der Einführung dieses ansich wünschenswerten Prinzip, beispielsweise auch
bei Elektro-Weidezaungeräten entgegensteht.
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Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass -
der DC-DC-Wandler zum Anheben von im unteren Spannungsbereich der vom Solarzellengenerator
(bei geringem Lichteinfall) gelieferten elektrischen Energie (U1 C U2) liegender
Gleichspannung über die Klemmen spannung des Akkumulators ausgebildet ist und -
ausgehend von der Primärseite des Wandlertransformators über eine Diode ein Weg
zum Einspeisen eines direkten galvanischen Stromes vom Solarzellengenerator in den
Akkumulator bei vom Solarzellengenerator gelieferter Energie mit Spannung oberhalb
der Klemmenspannung (U1> U2) des Akkumulators gebildet ist.
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Durch die Erfindung wird ein optimaler Wirkungsgrad der Vorrichtung
bei praktisch allen vom Wetter gegebenen Betriebsbedingungen erreicht. Ist die Solargeneratorspannung
kleiner als die Klemmenspannung des Akkumulators, so arbeitet der Wandler nach dem
bekannten Prinzip. Er ist für diesen Anwendungsfall optimal auszulegen, so dass
bei geringer bis mittlerer Lichteinstrahlung der Solarstrom mit gutem Wirkungsgrad
in Speicherstrom umgesetzt wird. Steigt die Spannung am Solarzellengenerator über
die Nennspannung des Akkumulators, beispielsweise bei mittlerer bzw. stärker oder
auch sehr starker Lichteinstrahlung, so erfolgt eine Direkteinspeisung unter Umgehung
des Wandlers, wobei der Wirkungsgrad dieser Direkt-
einspeisung
immer besser als der beste Wirkungskreis des Wandlers selbst ist.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung sichert somit einen guten bis sehr
guten Wirkungsgrad über die ganze Bandbreite der Anwendung, wobei der Wirkungsgrad
dann sogar besonders gut wird, wenn bei Anwendung herkömmlicher DC-DC-Wandler der
Wirkungsgrad "schlecht" wird.
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Die Vorteile dieses Prinzips sind offensichtlich. Man benötigt erheblich
weniger Solarzellen und Kapazität.
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Eine Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich beispielsweise
durch folgende Merkmale: - eine Wicklung des Wandlertransformators ist mit der Kollektor-Emitterstrecke
eines npn-Schalttransistors in Reihe geschaltet, - der Kollektorabgriff des npn-Schalttransistors
ist über eine Diode mit dem Minuspol des Akkumulators und der Emitter des npn-Schalttransistors
mit dem Pluspol des Akkumulators verbunden, und - der Pluspol des Solarzellengenerators
ist direkt mit dem Pluspol des Akkumulators und der Minuspol des Solarzellengenerators
mit der Wicklung des Wandlertransformators verbunden.
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Diese Ausführungsform der Erfindung bietet die Möglichkeit den Aufwand
an elektrischen idauelementen geriny zu halten.
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Insbesondere kann der Wandlertransformator - abgesehen von seiner
Wicklung für den Betrieb der Steuerschaltung des Schalttransistors - ohne Sekundärwicklung
ausgebildet sein.
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Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung kann
vorsehen, dass der Akkumulator über eine Sekundärwicklung des Wandlertransformators
aufgeladen wird, die mit einem Wicklungsende direkt mit dem gemeinsamen Basispunkt
des Primärkreises verbunden ist, wobei die Diode geschaltet ist zwischen dem hohen
Potential des Primärkreises und dem des Akkumulators. Diese Ausführungsform eignet
sich besonders für solche Fälle, wenn die Akkumulatorspannung relativ hoch ist und
wenn aus Preisgründen oder technischen Gründen ein Schalttransistor für niedrige
Spannung yewählt werden soll.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeichen:
Fig. 1 das Schaltschema
einer Ausführungsform der ,erfindungsgemässen Vorrichtung; Fig. 2 das Schaltschema
einer Abwandlung der Ausführungsform nach Figur 1 und Fig. 3 das Schaltschema einer
zweiten Ausführunysform der erfindungsgemässen Vorrichtung.
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Gemäss Figur 1 wird eine Ladevorrichtung lo mit einem ansich bekannten
DC-DC-Wandler 11, bestehend aus einem Wandlertransformator 1, einem npn-Schalttransistor
2 und einer Steuerschaltung 13 zwischen einen Solarzellengenerator 4 und einem Speicherakkumulator
5 eingeschaltet.
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Abweichend von der bekannten Schaltungsweise ist der Akkumulator 5
über eine Ladestromweiche 12 mit Diode 8 an einen Punkt 7 hohen Potentials im Primärkreis
des DC-DC-Wandiers 10 angeschlossen. Hierzu hat in dem dargeatellten Beispiel der
Wandlertransformator 1 - abgesehen von der für den Betrieb der Steuerschaltung 13
notwendigen Wicklung 3 - keine Sekundärwicklung sondern nur die Primärwicklung 6.
Der Punkt 7 liegt in diesem Beispiel an dem dem Ausgang des Solarzellengenerators
4 abgewandten Ende der Primärwicklung 6 des Wandlertransformators 1.
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Die Arbeitsweise. dieser Vorrichtung ist wie folgt:
Ist
die am Solarzellengenerator erzeugte elektrische Spaii nung kleiner als die Klemmspannung
des Akkumulators 5 (U1 s U2), wird durch Unterbrechung eines induktiven Stromes
in der Primärwicklung 6 auch ohne Sekundärwicklung am Punkt 7 eine höhere Spannung
als U2 erzeugt, so dass ein Energietransport vom Solargenerator 4 in den Akkumulator
5 mit optimalem Wirkungsgrad zustande kommt.
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Steigt die am Solarzellengenerator 4 erzeugte Spannung über die Klemmenspannung
des Akkumulators 5 (U1> U2), so addiert sich zu dem vorstehend beschriebenen
impulsmässigen Vorgang ein Dauerstrom, der um so stärker wird, je grösser die Spannungsdifferenz
U1 - U2 wird. Der Ohm'sche Widerstand der Primärwicklung 6 ist gering, so dass auch
die Ohm'schen Verluste klein sind.
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Bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel lassen sich auch die in der
Primärwicklung 6 auftretenden Ohm'schen Verluste noch vermeiden. Hierzu ist zwischen
dem dem Solarzellengenerator 4 zugewandten Ende der Primärwickluiig 6 und dem Akkumulator
5 noch eine zweite Diode 9 eingesetzt, die dann bevorzugt den Weg für direkten galvanischen
Strom vom Solarzellengenerator 4 über die Ladestromweiche 12 zum Speicherakkumulator
5 bildet.
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Im Beispiel der Figur.3 wird das erfindungsgsmässe Prinzip mit einem
Wandler 11 mit Sekundärwicklung 14 im Wandler-
transformator 1'
realisiert. In diesem Fall ist das eine Wicklungsende der Sekunärwicklung 14 mit
dor gemeinsamen Basis des Primärkreises zu verbinden (Punkt 19) und eine Diode 18
einzuschalten zwischen dem hohen Potential (Punkt 17) des Primärkreises und dem
hohen Potential (Punkt 16) des Akkumulators 5.
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Wenn im Betrieb dieser Ausführungsform der Fall eintritt, dass die
Ausgangsspannung U1 des Solarzellengenerators 4 kleiner als die Klemmspannung U2
des Akkumulators 5 ist (U1 < U2), tritt der DC-DC-Wandler 11 in Funktion und
sorgt für den Energietransport vom Solarzellengenerator 4 in den Akkumulator 5.
Im Fall höherer Spannung am Ausgang des Solarzellengenerators 4 als die Klemmenspannung
des Akkumulators 5 (U1 > U2) erfolgt neben der Wandlereinspeisung zusätzlich
Direkteinspeisung über die Diode 18 der Ladestromweiche 12.
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Diese zweite mögliche Ausführungsform der Erfindung eignet sich insbesondere
für solche Anwendungsfälle, bei denen die Klemmenspannung des Speicherakkumulators
5 und dementsprechend die Betriebsspannung des jeweils nachgeschalteten elektrischen
Gerätes relativ hoch liegt.
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