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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Gleichspannungswandler.
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Zusammenfassung
des Stands der Technik
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In
den letzten Jahren wurde eine breite Palette an elektronischen Zubehörteilen
für Kraftfahrzeuge,
Motorboote und andere Großgeräte auf den Markt
gebracht und weiterentwickelt. Unter diesen Zubehörteilen
finden sich Lampen, Heizeinheiten und in letzter Zeit natürlich immer
hochentwickeltere Telekommunikationsvorrichtungen. Anstatt über eine eigene
elektrische Spannungsquelle zu verfügen sind viele Zubehörteile darauf
ausgerichtet, von der Batteriespannungsquelle des Großgeräts gespeist zu
werden, und sind daher so entwickelt, dass sie mit den 12-V-Batterien,
die derzeit der Standard in Motorfahrzeugen sind, kompatibel sind.
Die optimale Eingangsspannung zahlreicher elektronische Zubehörteile liegt
tatsächlich
bei 13,8 Volt.
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Das
Gleichstromversorgungsformat, das in anderen Industrie-, Militär-, Nutz,
Luftfahrt-, Seefahrt- und anderen Anwendungen verwendet wird, unterscheidet
sich jedoch deutlich davon. Große
Fahrzeuge beispielsweise benötigen
elektrische Leistung, die über
vergleichsweise längere
Kabellängen
transportiert werden, wobei zusätzlich
noch mehr Vorrichtungen die Gleichstromversorgung benützen.
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Würde nun
die Spannung der Gleichstromversorgung von der Nennspannung von
12 Volt auf eine Nennspannung von 24 Volt verdoppelt werden, so
wird der Strombedarf halbiert, obwohl die zur Verfügung stehende
Gesamtleistung gleich bliebe.
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Beispielsweise
verwenden große
Nutz- oder Schwerfahrzeuge typischerweise ein höheres Gleichstrom-Spannungsformat,
das um die Nennspannung 24 Volt zentriert ist.
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Daraus
ergibt sich die Notwendigkeit von Wandlern, die imstande sind, den
Ausgang dieser höheren
Gleichstrom-Spannungsformate zu empfangen und Strom in annehmbarer
Form in elektrische Zubehörteile
vom 12-Volt-Format einzuspeisen, d. h. eines Wandlers, der beispielsweise
eine Konstantspeisung von 13,8 Volt aus einer zwischen 23,3 und
27,6 Volt variierenden Quelle bereitstellen kann.
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Es
versteht sich, dass ein solcher Wandler gegebenenfalls eine Leistungsversorgung
von einigen Watt, Dutzenden Watt oder gar Hunderten Watt bereitstellen
muss, und dass sich in diesem Zusammenhang Probleme ergeben, die
keine Entsprechung im mikroelektronischen Leistungswandlersystemen
haben. Beispielsweise offenbart die US-A-4827205 einen 10-Volt-Spannungswandler
in On-Chip-Ausführung,
bei dem Strom durch einen Widerstand abgegeben wird. In einem solchen
Zusammenhang ist die Umwandlungseffizienz unwichtig, und die Wärmeerzeugung
stellt kein bedeutendes Problem dar.
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Eine
frühe Generation
an Gleichspannungswandlern, die auch als "Dropper" bezeichnet wurden, basierten auf Linearwandlern,
d. h. auf Vorrichtungen, die unter Verwendung von Transistortechnologie
eine Spannungsversorgung heruntersetzen und regeln. Allerdings wurde
der Leistungswandlungswirkungsgrad, mit dem diese Vorrichtungen
ihre Aufgaben erfüllten,
als unannehmbar niedrig empfunden. Zudem konnte keine Linearwandlernkonstruktion entwickelt
werden, die eine ausreichend stabile Ausgangsspannung bereitstellen
konnte, insbesondere wenn sich der Strombedarf am Ausgang auf ein
bedeutendes Ausmaß erhöhte.
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Zahlreiche
Vorrichtungen, die als Zubehör
in Fahrzeugen, Booten, der Luftfahrt und in anderen Geräten verwendet
werden, benötigen
eine stoßfreie und
stabile Gleichstrom-Spannungsversorgung.
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Jüngste Entwicklungen
bei Gleichspannungswandlern haben sich daher auf Verfahren der Gleichstromwandlung
konzentriert, bei denen eine Gleichspannungsversorgung eine Oszillatorschaltung
betreibt, die unter dem Armaturenbrett eines LKWs untergebracht
ist, um eine oszillierende Spannung an den Anschlussklemmen eines
Abspanntransformators zu erzeugen. Der Transformatorausgang wird
dann gleichgerichtet, geglättet
und geregelt, um die gewünschte
Versorgung, üblicherweise eine
12-Volt-Nennspannung, bereitzustellen. Überraschenderweise haben schrittweise
Verfeinerungen dieses Verfahrens zu Vorrichtungen mit einem Wirkungsgrad
von bis zu 75 % geführt,
und der Einsatz derartiger Systeme ist gang und gäbe.
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung hat jedoch herausgefunden, dass
derartige auf Oszillation basierende Spannungswandler zumindest
zwei ernsthafte Nachteile aufweisen.
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Der
erste Nachteil von vielen Wandlern auf Schaltbetrieb-(Oszillations-)Basis
besteht darin, dass ihre Schaltung nur allzu leicht durch die in
ihnen erzeugte Wärme
beschädigt
werden kann, wenn der Wandler beispielsweise durch die direkte elektrische Verbindung
seiner Ausgangsklemmen falsch gebraucht wird. In der Praxis werden
Schmelzsicherungen (oder mit dem Wandler gelieferte Sicherungen) im
Laufe eines Wandlerlebens häufig
vom Benutzer durch unpassende Sicherungen ersetzt oder, noch schlimmer,
sogar vollständig überbrückt.
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Dadurch
entsteht ernsthafte Brandgefahr.
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Zweitens
erzeugen sie naturgemäß starke elektromagnetische
Strahlung, die häufig
als Hochfrequenzstörung
bezeichnet wird und oft so abgestrahlt wird, dass elektrische, elektronische
und häufiger
noch Kommunikationsvorrichtungen in der Umgebung des Wandlers beeinträchtigt werden.
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Dieser
Fall tritt häufig
ein, und obwohl zahlreiche Vorrichtungen angeblich über adäquate Filtereinrichtungen
in ihrer Konstruktion verfügen,
tritt dieses Problem immer wieder auf.
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Dieses
Problem ist dann potentiell ernster zu nehmen, wenn die Strahlung
Benutzer von Vorrichtungen und/oder Kommunikationsgeräten beeinträchtigt,
die vollständig
entfernt und weder an dem im Fahrzeug oder in der betreffenden Anlage
installierten Wandler angebracht noch mit diesem verbunden sind.
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In
vielen Fällen
weiß der
Benutzer der Wandlervorrichtung nicht einmal, dass diese eventuell
für externe
Störungen
bei anderen Diensten verantwortlich ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung, die unter anderem auf die Verwendung in Privat-,
Nutz- und Militärfahrzeugen,
Privat-, Nutz- und Militärschiffen
und kleineren Booten abzielt, will unter anderem die Probleme der
elektromagnetischen Strahlung und/oder der Überlastzustände lösen, unabhängig davon, welcher externe
Schutz im Hinblick auf die relevanten Sicherungsbemessungen vorliegt.
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Demzufolge
stellt die Erfindung ein Fahrzeug wie in Anspruch 1 dargelegt bereit.
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Ein
im Fahrzeug verwendeter Wandler der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise
zur Zufuhr von elektrischer Leistung bis zu einigen Dutzend oder Hunderten
von Watt fähig.
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Der
Widerstand des Eingangswiderstandsmittels weist üblicherweise einen Wert von
nicht mehr als 10 Ohm, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 5 Ohm,
noch bevorzugter 0,5 bis 1,5 Ohm, auf.
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Bei
der Verwendung ist der Wandler mit der Batteriespannungsversorgung
des Fahrzeugs verbunden, und das Widerstandsmittel ist z. B. am
Fahrzeugchassis angebracht, sodass die Wärme abseits des Regelkreises
an den Körper
abgeführt
werden kann.
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Obwohl
der Regelkreis Oszillation einsetzen kann, verwendet dieser vorzugsweise
Linearwandler, sodass im Wesentlichen kein elektrisches Rauschen in
der Ausgangsspannungsversorgung entsteht. In diesem Fall werden
gegebenenfalls beide Nachteile der oben beschriebenen Linearwandler überwunden oder
zumindest wesentlich gemindert, da der Regelkreis so gewählt sein
kann, dass bei der Verwendung ein Großteil, beispielsweise zumindest
60 % und vorzugsweise zumindest 70 % der durch den Spannungswandler
erzeugten Wärme
im Widerstandsmittel erzeugt und vom Regelkreis weit beabstandet
ist. Diese Anordnung verringert die Notwendigkeit, dass der Schaltkreis
eine Spannungsumwandlung hohen Wirkungsgrades vornimmt, deutlich,
da an der Position des Regelkreises selbst weniger Wärme erzeugt wird,
und somit kann der Regelkreis so gewählt werden, dass die Ausgangsstabilität und -regelung
unabhängig
vom gezogenen Ausgangsstrom optimiert sind. Der Gesamtleistungswandlungswirkungsgrad ist
bei dieser Anwendung nicht von oberster Bedeutung, da sowohl das
Versorgungsstromverhalten und die Batteriekapazität in der
beschriebenen Anwendung sehr groß sind.
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Der
Regelkreis ist vorzugsweise zudem ausgewählt, um den Strom, der aus
dem Wandler entnommen werden kann, zu begrenzen, beispielsweise durch
Begrenzen des Ausgangsstroms auf unter einer kritischen Obergrenze,
oder einfach nur durch Stoppen der Zufuhr von Ausgangsspannung,
wenn der Wandler eine Unregelmäßigkeit
bei dem aus dem Wandler entnommenen Strom detektiert – ein Verfahren,
das als "Fold-Back" oder Rücknahme
der Stromkennlinie bekannt ist. Dies wird vorzugsweise unabhängig vom
Vorhanden- oder Nichtvorhandensein von Unterbrechern, wie etwa Schmelzsicherungen oder
Ausschaltern, an denen manipuliert werden kann, bereitgestellt.
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Das
Widerstandsmittel ist vorzugsweise zur Befestigung an einem Körper einer
Großanlage
geeignet, auf solche Weise, dass dazwischen eine gute Wärmeleitung
vorliegt, wodurch im Widerstand erzeugte Wärme rasch abgeleitet werden
kann. Der Regelkreis ist vorzugsweise an einer Wärmesenke installiert, die zur
Steigerung ihrer Fähigkeit
zur Übertragung
von Wärme,
die vom Regelkreis erzeugt wird, an die Umgebung, beispielsweise
durch Konvektion, mit großer
Oberfläche
ausgebildet ist.
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Die
mit dem Regelkreis zu verwendende Wärmesenke weist vorzugsweise
eine große
Oberfläche
auf und ist längs
symmetrisch. Sie kann mit vertikaler Ausrichtung ihrer Längsachse
montiert werden, sodass bei Erwärmung
eine vertikale Luftströmung
entlang selbiger entsteht, was die Fähigkeit der Wärmesenke
zur Übertragung
der Wärme,
die vom Regelkreis erzeugt wird, an die Atmosphäre verbessert.
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Der
Regelkreis ist vorzugsweise so gewählt, dass er die Leistungsübertragung
stoppt, wenn die Temperatur des Kreises einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Diese "Wärmeunterbrechung" ist eine nützliche
Sicherheitseinrichtung, auch in Kombination mit der oben erwähnten Fold-Back-Vorkehrung, da
die Bedingungen, die eine Rücknahme
der Stromkennlinie auslösen,
nicht notwendigerweise sofort nach dem Auftreten eines Fehlers eintreten.
Zudem ist es möglich,
dass eine Überhitzung
ohne elektrische Überlast
auftritt, beispielsweise wenn der Regelkreis an einer Stelle angeordnet
ist, die für
eine zufriedenstellende Arbeit der Wärmesenke zu warm ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nun
folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter, als Beispiele
dienender Ausführungsformen
anhand der beigefügten
Figuren erläutert,
in denen:
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1 ein
Schaltbild einer ersten Ausführungsform
eines Gleichspannungswandlers zur Verwendung in der Erfindung darstellt;
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2 das
Schaltbild einer zweiten Ausführungsform
des Gleichspannungswandlers zeigt;
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3 ein
Schaltbild einer dritten Ausführungsform
des Gleichspannungswandlers zeigt;
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4 ein
Schaltbild einer vierten Ausführungsform
des Gleichspannungswandlers zeigt;
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5 ein
Schaltbild einer fünften
Ausführungsform
des Gleichspannungswandlers zeigt;
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6 die
Beziehung zwischen der Temperatur der Wärmesenke der dritten und vierten
Ausführungsform
des Gleichspannungswandlers zum abgegebenen Ausgangsstrom zeigt;
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7 eine
Stirnansicht einer zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
geeigneten Wärmesenke
zeigt;
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8 eine
Querschnittsansicht eines zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
geeigneten Regelkreises zeigt, der in der Wärmesenke aus 7 integriert
ist;
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9 eine
perspektivische Ansicht der Wärmesenke
aus 7 zeigt;
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10 eine
perspektivische Ansicht Widerstandseinheit zur Verwendung in einem
Wandler für ein
Fahrzeug zeigt; und
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11 ein
Fahrzeug gemäß der Erfindung zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung
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Bezug
nehmend auf die 1 weist die erste Ausführungsform
des Gleichspannungswandlers zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
Eingangsklemmen 1, 2 für die Verbindung mit den entsprechenden
Anschlussklemmen einer externen Batterie eines Geräts auf,
etwa der 24-V-Batterie eines LKWs. Der Regelkreis ist in einer Regeleinheit 3 angeordnet,
die Eingangsklemmen 8, 10 für die Speisung mit elektrischer
Leistung und Ausgangsklemmen 5, 6 für die Verbindung
mit den Spannungseingängen
von elektronischen Zubehörteilen
aufweist. Der Wandler spannt die Gleichspannung aus der Batterie
ab, sodass der Spannungsunterschied zwischen seinen Eingangsklemmen 1, 2 größer, beispielsweise
doppelt so groß wie
der Spannungsunterschied zwischen den Ausgangsklemmen 5, 6 ist. Zwischen
den Batterie anschlussklemmen 1, 2 ist eine Widerstandseinheit 4,
die einen Widerstand R1 und eine Schmelzsicherung FS1 umfasst, mit
der Regeleinheit 3 in Serie geschaltet.
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Die
Widerstandseinheit 4 ist mit der Regeleinheit 3 über ein
Kabel 9 verbunden, dessen Länge zumindest einige Zentimeter,
vorzugsweise bis zu einigen Metern, beträgt, sodass die Widerstandseinheit 4 von
der Regeleinheit 3 entfernt angeordnet werden kann. Die
Widerstandseinheit 4 ist zur Montage an einem massiven
Teil des Geräts,
etwa am Chassis des LKWs geeignet, sodass die Wärme, die diese erzeugt, in
das Chassis übertragen
wird. Die Regeleinheit 3 ist an einer anderen Stelle am
LKW, entweder an einer anderen Stelle des Chassis oder beispielsweise
unter dem Armaturenbrett des LKW, angeordnet und weist einen guten
Kontakt zur Wärmesenke
auf, die geeignet ist, die von der Regeleinheit erzeugte Wärme an die
Umgebungsluft abzuführen.
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In
der Regeleinheit 3 wird der Strom gleichmäßig auf
die Widerstände
R2, R3, R4, R5 und R6 aufgeteilt, die alle den gleichen Widerstandswert
in derselben Größenordnung
wie (jedoch nicht notwendigerweise gleich wie) der Widerstandswert
von R1 aufweisen. Die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 5 und 6 wird
unter Verwendung von fünf Reglern
IC1 bis IC5 auf 12 V gehalten, die jeweils einen 3-Ampere-Standard aufweisen
und im Betrieb durch die Widerstände
R7 und R8 sowie die Kondensatoren C1, C2 und C3 gesteuert werden.
Auf diese Weise ist es unter Verwendung von Standardkomponenten
möglich,
eine Ausgangsstromstärke
von bis zu 15 A beizubehalten, was deutlich größer als die Ausgangsstromstärke herkömmlicher
Wandler ist.
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Die
Regler IC1 bis IC5 sind vorzugsweise so gewählt, dass die Regeleinheit 3 die
Zufuhr von Leistung stoppt, wenn die Regler eine vorbestimmte Temperatur
erreicht haben. Beispielsweise können
die Regler integrierte Schaltungen KA350 sein, die diese Eigenschaften
aufweisen.
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Bei
einer möglichen
Auswahl der Werte der Komponenten, die zu einer korrekten Umwandlung von
24 Volt auf 12 Volt führt,
weist R1 einen Wert von 0,5 Ohm auf, während die Widerstände R2 bis
R6 jeweils einen Widerstandswert von 0,015 Ohm aufweisen; C1 ist
ein 1.000-μF-/35-Volt-Elektrolytkondensator
und C2 ein 100-μF-/16-Volt-Elektrolytkondensator.
IC1 bis IC5 sind gegebenenfalls 8-Volt-/3-A-Regler, und in diesem
Fall weisen die Widerstände
R7 und R8 Werfe von 220 Ohm bzw. 150 Ohm auf. Alternativ dazu sind
IC1 bis IC5 gegebenenfalls 5-Volt-/3-A- Regler, und in diesem Fall
weisen die Widerstände
R7 und R8 Werte von 500 Ohm bzw. 860 Ohm auf. In alternativen Ausführungsformen
sind die Regler IC1 bis IC5 12-Volt-Regler, und die Spannung am Ausgang
der Schaltung kann durch Wählen
von R7 und R8 mit den Werten von 480 bzw. 72 Ohm auf 13,8 Volt eingestellt
werden. C3 ist ein 2.200-μF-/16-Volt-Elektrolytkondensator.
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In
dieser Ausführungsform
sind FS1 und FS2 Flachsicherungen mit Kapazitäten von 25 A bzw. 15 A. FS3,
FS4 und FS5 sind drei weitere Flachsicherungen, deren Gesamtwert
15 A nicht überschreitet; üblicherweise
weist jede eine Kapazität
von 5 A auf.
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2 veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform
eines Gleichspannungswandlers zur Verwendung in der Erfindung, bei
der es sich um eine modifizierte Version der ersten Ausführungsform handelt.
Diese zweite Ausführungsform
ist gegenüber
der ersten bevorzugt, da sie kostengünstiger und einfacher herzustellen
ist. Sie ist für
einen 5-A-Ausgang konstruiert und stoppt die Leistungszufuhr im Falle
von elektrischer Überlast
oder Überhitzung
automatisch. Der Wandler nimmt den Normalbetrieb automatisch wieder
auf, sobald die Fehlerzustand aufgehoben oder die Temperatur auf
ein zulässiges
Maß gesenkt
wurde.
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In
dieser Ausführungsform
ist die Widerstandseinheit 4 an der Eingangsseite von der
Regeleinheit 3 durch eine Mehrkabelleitung 9' getrennt, die eine
Stecker-Buchse-Anordnung 9'' umfasst.
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Die
Werte der Komponenten in diesem Schaltkreis sind die folgenden:
- IC6, IC7
- = Integrierter Schaltungsregler
vom Typ LM350
- C4
- = Elektrolytkondensator
47 μF/35
V
- C5, C6
- = Elektrolytkondensator
100 μF/16
V
- D1
- = Diode IN4001
- R1'
- = drahtgewickelter
Widerstand 1,5 Ohm
- R9
- = drahtgewickelter
Widerstand 120 Ohm
- R10
- = drahtgewickelter
Widerstand 1,2 K Ohm
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Eine
dritte Ausführungsform,
die in 3 dargestellt ist, verwendet eine Widerstandseinheit 4, die
mit jener in der ersten Ausführungsform
gleichwertig ist, verwendet aber einen anderen Regelkreis, in dem
der Strom in erster Linie durch den Widerstand R2 fließt. Die
Kenndaten der Komponenten im Schaltkreis sind die folgenden:
- TR1
- = pnp-Transistor (TO3)
MJ15004
- TR2
- = pnp-Transistor (TO220)
BD744
- IC8
- = Integrierter Schaltungsregler
vom Typ L7808CP
- C4
- = Elektrolytkondensator
2200 μF/16
Volt
- R1
- = drahtgewickelter
Widerstand 0,5 Ohm/100 Watt
- R11
- = drahtgewickelter
Widerstand 0,05 Ohm/25 Watt
- R12
- = Metallschichtwiderstand
220 Ohm/1 Watt
- R13
- = drahtgewickelter
Widerstand 3,3 Ohm/2,5 Watt
- R14
- = Metallschichtwiderstand
150 Ohm/1 Watt
- C7
- = Elektrolytkondensator
1000 μF/35
Volt
- C8
- = Elektrolytkondensator
1 μF/35
Volt
- C9
- = Elektrolytkondensator
1000 μF/35
Volt
- C10
- = Elektrolytkondensator
2000 μF/16
Volt
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Wie
für Fachleute
auf dem Gebiet der Erfindung ersichtlich ist, bedeutet die obige
Wahl von IC8, dass der Kreis die Spannungsversorgung stoppt, wenn
seine Temperatur einen vorbestimmten Wert erreicht. Somit kommt
es bei dieser Temperatur zu einer Wärmeunterbrechung.
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4 veranschaulicht
eine vierte Ausführungsform
des Gleichspannungswandlers zur Verwendung in der Erfindung, bei
der es sich um eine Modifikation der dritten Ausführungsform
handelt. Die vierte Ausführungsform
ist gegenüber
der dritten bevorzugt, da sie kostengünstiger und einfacher herzustellen
ist. Sie ist für
einen 15-A-Ausgang
konstruiert.
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Wie
in der zweiten Ausführungsform
ist die Regeleinheit 3 über
die Widerstandseinheit 4 mit dem Eingang und dem Ausgang über eine
Leitung 9' verbunden,
die eine Stecker-Buchse-Anordnung 9'' umfasst.
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Die
Werte dieser Komponenten sind die folgenden:
- D1
- = Diode vom Typ IN4001
- IC9
- = Integrierte Schaltung
vom Typ LM 350
- TR3
- = Transmitter vom
Typ MJE 15004
- TR4
- = Transistor vom Typ
BD 744C
- ZD1
- = Zenerdiode vom Typ
IN5355B
- C11
- = Elektrolytkondensator
47 μF/35
Volt
- C12, C13
- = Elektrolytkondensator
100 μF/16
Volt
- C14
- = Elektrolytkondensator
0,47 μF/63
Volt
- R1
- = drahtgewickelter
Widerstand 0,5 Ohm
- R15
- = drahtgewickelter
Widerstand 120 Ohm
- R16
- = drahtgewickelter
Widerstand 1,2 K Ohm
- R17a–d
- = jeweils 27 Ohm
- R18
- = drahtgewickelter
Widerstand 0,05 Ohm
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In
der in 5 veranschaulichten Ausführungsform wird der Strom erneut
in erster Linie durch den Widerstand R19 zu den Ausgangsklemmen 5, 6 geleitet.
Die Spannung wird unter Verwendung der integrierten Schaltung IC9
reguliert, bei der es sich um einen Regler vom Typ L123CT handelt.
Dieser Wandler weist das Merkmal auf, dass die IC9 bei einer starken
Stromschwankung im Kreis, die sich beispielsweise ergeben kann,
wenn die Ausgangsklemmen des Kreises miteinander verbunden werden,
einen äußerst niedrigen
Pegel der Ausgangsspannung bewirkt, bis die Rückstellung vorgenommen wurde, eine
Technik, die als "Fold-Back" bekannt ist.
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Die
Werte der Komponenten im Kreis sind die folgenden:
- TR4
- = npn-Transistor (TO3)
2N3771
- TR5
- = npn-Transistor (TO220)
BD743C
- IC10
- = Integrierter Schaltungsregler
vom Typ L123CT
- C15
- = Elektrolytkondensator
1000 μF/35
Volt
- C16
- = Elektrolytkondensator
10 μF/16
Volt
- C17
- = Elektrolytkondensator
2200 μF/16
Volt
- C18
- = Elektrolytkondensator
4,7 μF/35
Volt
- C19
- = Keramikkondensator
470 pF/100 Volt
- R1
- = drahtgewickelter
Widerstand 0,5 Ohm/100 Watt
- R19
- = drahtgewickelter
Widerstand 0,05 Ohm/25 Watt
- R20
- = Metallschichtwiderstand
6,8 Kiloohm/0,25 Watt
- R21
- = Metallschichtwiderstand
3,6 Kiloohm/0,25 Watt
- R22
- = Metallschichtwiderstand
7,5 Kiloohm/0,25 Watt
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Die
anderen Komponenten weisen die gleichen Werte wie die entsprechenden
Komponenten der dritten Ausführungsform
des Spannungswandlers auf.
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6 veranschaulicht
die Beziehung zwischen der Temperatur der Wärmesenke und des vom Ausgang
des Spannungswandlers aus 3 oder 5 entnommenen
Stroms. Die beiden Kurven stellen die Fälle dar, bei denen der Eingang
des Spannungswandlers 23,3 Volt (der niedrigsten Spannung, die typischerweise
von einer LKW-Batterie abgegeben wird) bzw. 27,6 Volt (die gegebenenfalls während des
Ladevorgangs der Batterie abgegeben werden können) beträgt. Idealerweise wird der Wandler
in einem Strombereich betrieben, der zwischen diesen beiden Kurven
liegt.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die erste, dritte und fünfte Ausführungsform
der Erfindung, die oben angeführt
wurden, die folgenden Kenndaten erfüllen:
Ausgangsspannung:
13,8 Volt Gleichspannung
Ausgangsstrom: 0 bis 15 A
Eingangsspannung:
23,3 Volt bis 27,6 Volt Gleichspannung
Maximale Eingangsüberspannung:
35 Volt Gleichspannung, kurzfristiger Fehlerzustand der Fahrzeugversorgung
Stromüberlastschutz:
Typ 2 – Stromgrenze
bei 15 A (auch Typ 1)
Typ 3 – Fold-Back der Stromkennlinie
bei 15 A
Betriebstemperaturbereich: besser als –40 °C bis +40 °C*
*
bei +40 °C
ist Wärmesenkentemperatur
86 °C/15
A
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Die
zweite und vierte Ausführungsform
liefern bis zu 5 bzw. 15 A oder eine maximale Wirkleistung von 60
bzw. 180 Watt.
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7 ist
eine Stirnansicht einer Wärmesenke 14,
die zur Verwendung als Wärmesenke
für die Regeleinheit
geeignet ist. Geeigneterweise handelt es sich bei der Wärmesenke 14 um
ein Strangpressteil aus Aluminium. Sie ist längs symmetrisch und soll mit
ihrer Längsachse
vertikal ausgerichtet montiert werden, um die maximale Wärmeabführung durch Konvektion
zu bewirken.
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8 veranschaulicht,
wie der Regelkreis in die in 7 dargestellte
Wärmesenke 14 eingebaut werden
kann, um eine Wärmesenkeneinheit
bereitzustellen. Die Komponenten 17 des Regelkreises, die über eine
gedruckte Leiterplatte 19 angeschlossen sind, sind in Kontakt
zu einer Mitteloberfläche 15 der
Wärmesenke 14 angeordnet,
sodass zwischen den Komponenten 17 und der Oberfläche 15 eine gute
Wärmeleitung
erhalten wird. Der Schaltkreis wird dann in eine wärmeleitfähigen Vergussmasse 21 vergossen,
die mechanische Festigkeit für
die Leiterplatte 19 bereitstellt. Der Regelkreis erstreckt
sich nicht über
die gesamte Länge
der Wärmesenke 14, sondern
lässt Endbereiche
der Oberfläche 15 unbedeckt.
Wird nun die Vergussmasse 21 über die gesamte Länge der
Wärmesenke 14 aufgetragen,
so ist der Re gelkreis bis auf die Abschnitte der Komponenten 17,
die die Wärmesenke 14 kontaktieren,
zur Gänze
von der Vergussmasse umgeben. Dadurch ist der Regelkreis vollständig vor
physikalischen Beeinträchtigungen
und vor Kontakt mit Feuchtigkeit, die in Kontakt zur Wärmesenke
gerät,
geschützt.
Die Vergussmasse stellt auch einen Dichtungskontakt zu den elektrischen
Leitungen her, die durch diese zur Regeleinheit hin vorstehen, und
gewährleistet
so, dass keine Feuchtigkeit auf diese Weise in die Regeleinheit
eindringen kann. Vorzugsweise ist die Wärmesenke auf diese Weise vollständig wasserdicht oder
zumindest spritzwasserdicht ausgebildet.
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Eine
obere Oberfläche
der Vergussmasse 21 ist durch eine Platte 22 abgedeckt.
Somit bilden die Wärmesenke 14 und
die Platte 22 ein Gehäuse 25 für die Regeleinheit.
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Eine
zweite Platte 23 verschließt den Hohlraum an der anderen
Seite der Wärmesenke.
Die beiden Platten 22, 23 sind durch einen Stift 24 mit
Kappen 25, 26 aneinander befestigt. Der zwischen
der Platte 23 und dem Mittelbereich 15 der Wärmesenke 14 ausgebildete
Hohlraum ist mit einer Vergussmasse 27 gefüllt.
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Die
Vergussmasse 21, 27, die in dieser Ausführungsform
verwendet wird, ist vorzugsweise wärmeleitfähig und kann beispielsweise
eine Masse wie etwa ER27B3 sein, die von Electrolube vertrieben wird.
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9 ist
eine perspektivische Ansicht der in 8 dargestellten
Einheit. Eine Halterung 30 ist durch Schrauben 31, 33 an
der Wärmesenkeneinheit angebracht
und geeignet, durch Öffnungen 35, 37 die Verbindung
zum Körper
eines Geräts
herzustellen, etwa unter dem Armaturenbrett des oder mit dem Chassis
eines LKWs. Elektrische Eingänge
in die Wärmesenkeneinheit
verlaufen über
die Leitungen 38 und den Stecker 39.
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10 veranschaulicht
perspektivisch eine Widerstandseinheit 45, die den Widerstand
(R1, R1') einer
Ausführungsform
eines Wandlers zur Verwendung in der Erfindung enthält. Der
Widerstand weist Stifte 41, 43 auf, die mit dem
Rest des Wandlers elektrisch verbunden sein können. Die Widerstandseinheit 45 umfasst
ihren Widerstand, der durch einen zylindrischen Abschnitt 46 eines
Platten 47, 49 umfassenden Gehäuses umgeben und von diesem
elektrisch isoliert ist. Beim Gehäuse handelt es sich um Strangpressteil
aus Aluminium. Die Platten 47, 49 sind mit Öffnungen 51 zur
Befestigung des Gehäuses,
beispielsweise an das Chassis eines LKWs, versehen, sodass zwischen
dem Widerstand und dem Chassis eine hervorragende Wärmeleitung
erzielt wird. Der zylindrische Abschnitt 46 ist außen gerippt, um
die Wärmeabfuhr
durch Konvektion zu unterstützen,
jedoch werden typischerweise bei der Verwendung zwischen 50 und
100 Watt thermisch in das Chassis geleitet.
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11 veranschaulicht
den Einbau eines Wandlers in die Fahrerkabine eines LKWs, um eine Ausführungsform
der Erfindung bereitzustellen. Die Wärmesenkeneinheit 51 wird
mit vertikal ausgerichteter Längsachse
im Inneren der Motorhaubenstirnwand angeordnet. Der Lastwiderstand 53 wird
im Chassisbereich angeordnet. Der Wandler umfasst weiters eine Sicherungsdose 55 im
Inneren der Kabinenstirnwand, einen Vielfachverbinder-Bausatz 57, ebenfalls
im Inneren der Kabinenstirnwand, und einen LED-Bausatz 59,
der am Armaturenbrett montiert ist.
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Obwohl
bevorzugt ist es nicht notwendig, dass der Regelkreis in Linearumwandlungsform
vorliegt, und alternative Ausführungsformen,
die einen auf Oszillation basierenden Regelkreis verwenden sind
annehmbar. Der Wandler kann auch in Kombination mit anderen Fahrzeugen
als LKW verwendet werden, beispielsweise mit Schiffen.