DE876730C

DE876730C - Verfahren zum Aufladen oder Entladen eines Kondensators und Schaltung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE876730C
Application number: DEP23486A
Authority: DE
Inventors: Gerrit Jan Siezen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1946-06-17
Filing date: 1948-12-04
Publication date: 1953-05-18
Also published as: US2507226A; BE473883A; CH258128A; GB642910A; FR947945A

Description

Bekanntlich geht beim Aufladen oder Entladen eines Kondensators gewöhnlich viel Energie verloren. Wird z. B. unter Zuhilfenahme einer Gleichspannungsquelle mit Klemmenspannung E ein Kondensator mit einer Kapazität C aufgeladen, wobei zwischen der Spannungsquelle und dem Kondensator irgendein leitendes Schaltelement, z. B. ein Widerstand, eingefügt ist, so beträgt die im Kondensator angehäufte, elektrostatische Energie nach Beendigung der Aufladung ¹I₂ CE². Während der Aufladung liefert die Spannungsquelle jedoch insgesamt eine Energie CE², so daß eine Energiemenge von ^x/₂ CE² unnütz verlorengegangen ist. Hierzu kann noch bemerkt werden, daß diese Menge verschwundener Energie von der Natur des Schaltelements unabhängig ist.

Der Zweck der Erfindung ist, ein Verfahren zum Auf- oder Entladen eines Kondensators zu schaffen, bei dem diese Energieverschwendung sehr stark herabgemindert ist.

Das Verfahren nach der Erfindung weist das Merkmal auf, daß die Auf- oder Entladung sich während einer Viertelperiode der dabei auftretenden Eigenschwingung in der Reihenschaltung des Kondensators und einer in den Auf- oder Entladekreis eingefügten Selbstinduktionsspule vollzieht und daß darauf die in der Selbstinduktionsspule angehäufte Energie einem Energiesammler zugeführt wird.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens wird, wie weiter unten erläutert, ein wesentlicher Teil der sonst z. B. in Form der Wärme in einem Widerstand in Verlust gegangenen Energie wieder zurückgewonnen.

Das neue Verfahren und einige Schaltungen, mit denen das Verfahren durchgeführt werden kann, werden an Hand einer Zeichnung näher erläutert.

Fig. ι stellt eine Schaltung zum Aufladen eines Kondensators ι mit Kapazität C dar, der in Reihe mit einer Spule 2 mit Selbstinduktion L, einem Schalter 3 und einer Batterie 4 mit Klemmenspannung E in Reihe geschaltet ist. An diese Batterie ist außerdem ein Kreis angeschlossen, der die Reihenschaltung einer zweiten Spule 5 mit Selbstinduktion W²L (n > 1) und eines Gleichrichters 6 enthält. Die nach dem Schließen des Schalters 3 in diesen Kreisen gegebenenfalls auftretenden Ströme sind mit i bzw. i₀ bezeichnet. Die Spannungen werden positiv gerechnet, wenn ihre Polarität der in der Figur dargestellten entspricht.

Der Wicklungssinn der Spule 5 ist derart gewählt, daß· unmittelbar nach dem Einschalten die Spannung V₃ am Gleichrichter negativ ist, so daß anfangs i₀ gleich Null ist. Zwischen dem Strom i und der Spannung V am Kondensator besteht die Beziehung:

i = C —τ—, so daß
dt

V+L-—· = V+LC dt

dt*

= E.

Hieraus folgt, wenn die Anfangsbedingungen, daß für die Zeit t = 0 auch V und i den Nullwert haben, berücksichtigt werden:

V = E (1 — cos cot)

wobei

ω =

Wenn die Streuung und der Widerstand des von

den Spulen 2 und 5 gebildeten Transformators vernachlässigt werden kann und der Koeffizient der gegenseitigen Induktion M — — η L ist, gilt auch:

F,=

•^E~^nLit^-

+ η V.

Die Spannung V wird also gemäß Formel 1 steigen, bis Vg den Nullwert erreicht. Dies vollzieht sich für t = I₁, wobei t_x von

ν = —-

E = E (1 ■

cos

oder

cos (Ot₁ = —

(2)

bestimmt wird.
Der von V erreichte Wert ist also gleich

E,

so daß bei großem η die Spannung die erwünschte Spannung E nur etwas übersteigt. Diese erwünschte Spannung wurde bereits vor t = i_x am Ende der ersten Viertelperiode der auftretenden Schwingung erreicht.

Sobald V = ——— E ist, wird der Gleichrichter

leitend. Der Einfachheit halber wird angenommen, daß während des Auftretens des den Gleichrichter durchfließenden Stroms i₀ die Spannung V₉ Null bleibt, was bei vernachlässigbarem Widerstand des Gleichrichters der Fall sein wird.

In diesem Fall gilt:

di

di₀

di

di₀

Hieraus folgt, daß (n +1) E — nV, so daß

i — C -j- = O, wobei außerdem -~ = =-=-.

dt dt n²L

Dies ergibt

h — h Ψι)

(3)

wobei i₀ (^₁) den Strom ^₀ im Zeitpunkt Jf₁ darstellt. Nun folgt die Größe von i₀ (^₁) aus der Kontinuität der im Transformator angehäuften, magnetischen Energie als Funktion der Zeit:

4 Li« (ii) =

ni₀

*^a£*"o⁸(<i)

Bis t_x gilt gemäß Formel (1) V = E (1 — cos mi), also

i = O)CE sin cat,

aus dem mit (2) folgt:
was mit (3) kombiniert

χ-

ni₀ = (oCE I/ ι s- —

ergibt.

Der Strom i₀ ist Null vom Zeitpunkt t = 0, in dem der Schalter 3 geschlossen wird, bis t = t_lt in dem ni₀ plötzlich bis zum Wert

to C E

springt, um darauf linear abzunehmen, bis der no Nullwert im Zeitpunkt t_z erreicht ist.

Dann wird der Gleichrichter 6 wieder nichtleitend, und das Übermaß an angehäufter Energie im Konden-

T*

sator wird mit einer Anfangsamplitude — um den erwünschten Wert E ausschwingen. Bei großem η ist die dabei in Verlust gegangene Energie nur ein sehr kleiner Bruchteil der im Kondensator angehäuften Energie.

Die Fig. 2 a, 2 b, 2c und 2d stellen den zeitlichen Verlauf der Größen V, V₀, i und ni₀ beziehungsweise dar; dieser Verlauf ist an Hand der vorstehenden Berechnung ersichtlich.

Aus Fig. 2 a ist ersichtlich, daß der Kondensator während einer Viertelperiode der im Kreis des Kondensators 1 und der Spule 2 nach Einschaltung ent-

stehenden Eigenschwingung bis zur Spannung E aufgeladen wird und daß darauf die Zurückführung der in der Spule angehäuften Energie im Zeitpunkt I₁ anfängt. Die zurückgeführte Energiemenge beträgt: t.

= coCE²{U — t_x)

211 -

aus dem mit

tn —1₁ = iiLcoC

ein Betrag

n-

-- CE²-

folgt, der also um so größer ist, je höher η gewählt wird.

Fig. 3 stellt eine andere Schaltung zum Aufladen eines Kondensators dar.

Auch in diesem Fall ist der Kondensator 7 mit einer Spule 8, einem Schalter 9 und einer Gleichspannungsquelle 10 in Reihe geschaltet. Parallel zum Kondensator ist die Reihenschaltung einer Spule 11 und eines Gleichrichters 12 angebracht, wobei der Wicklungssinn der Spule wieder derart gewählt ist, daß anfangs nach dem Einschalten des Aufladekreises kein Strom i₀ den Gleichrichter durchfließt. Die Spule 8 hat eine Selbstinduktion L und die Spule 11 eine Selbstinduktion n²L (11 > ι), wobei in diesem Fall der Koeffizient gegenseitiger Induktion M=+ ηL ist.

Mittels einer Berechnung entsprechend derjenigen

für die Schaltung nach Fig. 1 kann wieder der zeitliche Verlauf der Kondensatorspannung V, der Spannung am Gleichrichter V₉, des Stroms i im Kondensatorkreis und des Stroms i₀ im Gleichrichterkreis berechnet werden. Dieser Verlauf ist in den Fig. 4a, 4b, 4c und 4d dargestellt. Aus Fig. 4 a ist ersichtlich, daß der Kondensator in der ersten Viertelperiode der in der Reihenschaltung des Kondensators 7 und der Spule 8 entstehenden Eigenschwingung sich auflädt und daß darauf im Zeitpunkt t_x die Zurückführung der Energie anfängt.

Wie aus der Schaltung und auch aus den Fig. 4 c und 4d ersichtlich, werden während der Zurückführung der Energie von t_x bis U beide Spulen 8 und 11 vom Strom i₀ durchflossen.

Es ergibt sich, daß bei dieser Schaltung die der Batterie 10 zurückgeführte Energie gleich

<;_o CE²

ist, welcher Betrag also gleichfalls bei zunehmendem η zunimmt.

Im Zeitpunkt U wird der Gleichrichter 12 wieder nichtleitend, und der Kreis 7, 8 schwingt mit einer

Anfangsamplitude

E um den schließlichen

Wert -j- E aus, wobei also bei großem η wieder wenig Energie verlorengeht.

Fig. 5 stellt eine Schaltung dar, mit der die bei der Entladung durch Kurzschließen eines Kondensators frei werdende Energie praktisch ganz einer Batterie zurückgeführt werden kann.

Der Kondensator 13 mit Kapazität C ist in diesem Fall mit einer Spule 14 mit Selbstinduktion L und einem Schalter 15 in Reihe geschaltet. Auch ist ein Kreis vorgesehen, der aus der Reihenschaltung einer Spule 16 mit Selbstinduktion M²X (n > 1), einem Gleichrichter 17 und einer Gleichspannungsquelle 18 mit Klemmenspannung E besteht. Die Spule 16 ist derart gewickelt, daß nach dem Schließen des Schalters 15 anfangs kein Strom den Gleichrichter durchfließt. Der Koeffizient gegenseitiger Induktion für die Spulen 14 und 16 ist in diesem Fall wieder M = — nL. Die Spannung des Kondensators nimmt vom Anfangswert V = -f E im Zeitpunkt t = O ab bis t =t_x gemäß V = E cos ω t um

co = —

Y LC'

Im Zeitpunkt t = U, wenn V = —■ —, wird der

r 1· η

Gleichrichter leitend, worauf V = ■ konstant

bleibt, während i Null wird. Während des Zwischenzeitraums t_x<t <t₂ wird dann Energie der Batterie zurückgeliefert. go

Zur weiteren Kennzeichnung der Wirkungsweise der Schaltung ist in den Fig. 6 a, 6 b, 6 c und odder zeitliche Verlauf der Kondensatorspannung V, der Spannung Vg am Gleichrichter, des Stroms i im Entladekreis und des mit η vervielfachten Stroms i_Q durch den Gleichrichter dargestellt.

Unter Zuhilfenahme einer Schaltung der in Fig. 5 dargestellten Art kann der Wirkungsgrad eines Sägezahngenerators wesentlich erhöht werden. Eine Schaltung für diesen Zweck ist in Fig. 7 dargestellt, wobei die Teile, die denjenigen der Fig. 5 entsprechen, die gleichen Bezugsziffern haben. Der Schalter 15 aus Fig. 5 ist in diesem Fall durch eine gasgefüllte Dreipolröhre 20 ersetzt. Dem Steuergitter dieser 'Röhre kann über die Klemmen 22 und 23 und eine Vorspannung 21 eine passend gewählte Steuerspannung zugeführt werden; in .der weiter unten beschriebenen Schaltung wird jedoch keine Steuerspannung angewendet, und die Röhre 20 wird leitend, sobald eine bestimmte Anodenspannung erreicht ist.

Die bei der Entladung des Kondensators 13 frei werdende Energie wird der Batterie 18 zugeführt. Diese Batterie besorgt nun über den Widerstand 19 mit Wert R auch die Aufladung des Kondensators.

Wird der Kondensator über den Widerstand 19 bis auf eine Spannung F₅ aufgeladen, bei der die Röhre 20 zündet, so wird die im Kondensator vorhandene, elektrostatische Energie zunächst in die Spule 14 übertragen, wobei die Spannung V des Kondensators auf einen Wert herabsinkt, der annähernd der Bogenspannung der Röhre 20 entspricht, während der Strom i bis zu einem Maximalwert wächst, der annähernd gleich coCVt ist, wenn

Y LC

Darauf wird die Gleichrichterröhre 17 leitend, unc es springt der Wert des Strömst plötzlich auf Null wodurch die gasgefüllte Dreipolröhre 20 erlischt. Die in diesem Augenblick im Transformator vorhandene

Energie, die annähernd gleich — CVj? ist, wird darauf

über die Zweipolröhre 17 nahezu ganz der Batterie zurückgeführt.

Diese Schaltung sichert nicht nur einen geringeren Energieverbrauch, sondern sie hat auch den Vorteil, daß der Augenblick, in dem die gasgefüllte Dreipolröhre erlischt, gegenüber dem Zündmoment sehr scharf bestimmt ist, was z. B. bei der Verwendung in Schaltungen für Fernsehzwecke besonders wertvoll ist.

Die Rückschlagzeit der am Kondensator auftretenden Sägezahnspannung wird von der maximal zulässigen Stromstärke i_m durch die gasgefüüte Dreipolröhre 20 begrenzt. Im vorliegenden Fall ist die Rückschlagzeit T gleich einer Viertelperiode der Eigenschwingung des XC-Kreises 13, 14 also

^-VZc =

Der Maximalstrom i_m wird, wie dies bereits vorstehend angegeben wurde, i_m = ω C Vt, so daß

τ ₌ ü £Zl ₌! ₅₇ £Σι

2 i_m ' i_m

Wird eia Kondensator mit Kapazität C über einen Widerstand.??,, entladen, so wird die Rückschlagzeit wenigstens das Zweifache der Zeitkonstante A₀C sein, also T ^ 2 R₀C, und da in diesem Fall

V„

R_n

Γ>2

Bei den gleichen Werten für i_m, C und V_b weist die Schaltung nach Fig. 7 somit auch den Vorteil einer kürzeren Rückschlagzeit auf.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Verfahren zur Aufladung oder Entladung eines Kondensators, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf- oder Entladung während der ersten Viertelperiode nach dem Schließen des Lade- bzw. Entladekreises der dabei in der Reihenschaltung des Kondensators und einer in den Auflade- oder Entladekreis eingefügten Spule auftretenden Eigenschwingung durchgeführt wird und darauf in der zweiten Viertelperiode die Zuführung der in der Spule angehäuften Energie zu einem Energiesammler eintritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Spule angehäufte Energie mittels einer induktiv mit der Spule gekoppelten zweiten Spule und eines in Reihe mit ihr geschalteten Gleichrichters dem Energiesammler zugeführt wird.
3. Verfahren zum Aufladen eines Kondensators nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Aufladen erforderliche Energie dem in Form einer Gleichspannungsquelle ausgebildeten Energiesammler entnommen wird.
4. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle sowohl an die Reihenschaltung des Kondensators und der Spule als auch an die Reihenschaltung der zweiten Spule und des Gleichrichters angeschlossen ist, wobei die zweite Spule derart induktiv mit der zuerst genannten gekoppelt ist und derart mit dem Gleichrichter in Reihe liegt, daß während der Aufladung des Kondensators kein Strom den Gleichrichter durchfließt.
5. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle an die Reihenschaltung des Kondensators und der Spule angeschlossen ist, wobei parallel zum Kondensator die Reihenschaltung der zweiten Spule und des Gleichrichters geschaltet ist und die zweite Spule derart induktiv mit der zuerst genannten gekoppelt und derart mit dem Gleichrichter in Reihe geschaltet ist, daß während der Aufladung des Kondensators kein Strom den Gleichrichter durchfließt.
6. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2 zum Entladen des Kondensators, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladekreis die Reihenschaltung der Spule und des Kondensators enthält und daß die zweite Spule und der Gleichrichter mit dem Energiesammler in Reihe geschaltet sind, wobei die zweite Spule derart induktiv mit der zuerst genannten Spule gekoppelt und derart mit dem Gleichrichter in Reihe geschaltet ist, daß während der Entladung des Kondensators kein Strom den Gleichrichter durchfließt.
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator über einen Widerstand aus dem in Form einer Gleichspannungsquelle ausgebildeten Energiesammler aufgeladen und der Kondensator absatzweise entladen wird.
8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladekreis eine absatzweise Strom durchlassende Entladungsröhre enthält.
9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre für Strom durchlässig wird, sobald eine bestimmte Anodenspannung erreicht ist.

Angezogene Druckschriften:

Italienische Patentschrift Nr. 403751; französische Patentschrift Nr. 879 484.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©50015.53