DE3009838C2

DE3009838C2 - Impulsgenerator

Info

Publication number: DE3009838C2
Application number: DE3009838A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. 3540 Korbach Weinreich
Original assignee: Horizont Geraetewerk GmbH
Current assignee: Horizont Geraetewerk GmbH
Priority date: 1980-03-14
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1982-09-23
Also published as: EP0036089A1; AU6834081A; DE3167770D1; DE3009838A1; EP0036089B1; CA1170708A; ATE10892T1; NZ196469A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Impulsgenerator, insbesondere zur Erzeugung von WeidezaunLnpulsen, mit einem Impulstransformator, dessen Induktivitäten und Streuinduktivitäten mit einem primärseitig angeschlossenen elektrischen Ladekondensator und einem sekundärseitig angeschlossenen elektrischen Kondensator, beispielsweise einer Zaunkapazität, einen gekoppelten Serien- und Parallelschwingkreis bildet, wobei in den Parallelschaltungskreis von Ladekondensator und Primärwicklung des Impulstransformators ein mittels eines Impulstimers zum Zünden in vorher festgelegter zeitlicher Folge gesteuerter Thyristor oder ein mit Fremdsteuerung versehener Transistor als Schalter eingesetzt und der Ladekondensator ständig an einen Ladestromkreis angeschlossen und die Kapazität des Ladekondensaiors wesentlich größer als die Kapazität des sekundärseitig angeschlossenen Kondensators ist, wobei ohne Energieableitung im Sekundärkreis zur Vermeidung von Energieverlusten der im Serien- und Parallelschwingkren auftretende Einschwingvorgang zum Sperren des Transistors bzw. Thyristors bei nur teilweiser Entladung des Ladekondensators herangezogen wird und eine durch Zuschaltung eines vorher festgelegten sekundärseitigen Widerstandes hervorgerufene Dämpfung die negative Halbwelle (zwischen πι und 2rci) des Einschwingstromes ausreichend unterdrückt, so daß die den Thyristor bzw. Transistor nicht mehr sperrt und den Ladekondeinsator vollständig entladen wird.

Aus DE-OS 27 33 145 und CH-PS 4 77 128 ist ein grundsätzlicher Aufbau von Impulsgeneratoren bekannt, bei welchem der zu erzeugende und beispielsweise auf einen Elektrozaun zu legende Impuls durch die beim Schließen des Parallelstromkreises von Primärwicklung und Ladekondensator einsetzende elektrische Schwingung und Transformieren dieser Schwingung auf hohe Spannung in dem Impulstransformator hervorgerufen wird. Die gemäß DE-OS 27 33 145 und CH-PS 4 77 128 zu verbessernden Geräte dieser Art sind so dimensioniert, daß der Thyristor mit der negativen Halbwelle derjenigen Schwingung gesperrt wird, die bestimmt ist, durch die Parallelinduktivität im gekoppelten Serien- und Parallelschwingkreis und die Kapazität des Ladekondensators. Dies bedeutet, daß der Thyristor durch die negative Halbwelle des Stromes der zweiten periodischen Schwingung, d. h. der Hauptschwingung, gesperrt wird. Da aber in dem gekoppelten Serien- und Parallelschwingkreis die Spannung der Schwingung im Strom der Schwingung um voreilt, ist im Augenblick der Sperrung des Thyristors der Ladekondensator bereits mit umgekehrter Polarität als ursprünglich aufgeladen. Er muß deshalb für den nächsten Impuls aus der Stromquelle entladen und mit umgekehrter Polarität aufgeladen werden.

Gemäß der aus der DE-OS 27 33 145 bekannten Verbesserung solcher Geräte soll das Schaltelement im Primärkreis, d. h. dem Parallelstromkreis von Ladekondensator und Primärwicklung des Impulstransformators dann geöffnet werden, wenn die Serienkapazität auf den oberen Scheitelwert der Einschwingspannung oder in

die Nähe davon aurgeladen ist. Dies erfordert, daß das Schaltelement beim ersten Nulldurchgang, d. h. bei Beginn der zweiten Halbwelle (bei n\) des Einschwingstromes gesperrt bzw, der Parallelstromkreis geöffnet wird. In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, daß diese Steuerungsweise für das Schaltelement sehr empfindlich und nur schwer ausführbar ist.

Aus CH-PS 4 77 128 ist eine andere Möglichkeit zur Energieersparnis bei Impulsgeneratoren der oben beschriebenen Art bekannt, die vorsieht, die im Parallelstrpmkreis von Ladekondensator und Primärwicklung des Impulstransformators angeordneten elektronischen Schalter, beispielsweise Thyristor, eine Diode parallel zu schalten. In dieser Schaltungsweise wird nach dem herkömmlichen Grundsatz durch die erste negative Halbwelle der Hauptschwingung der elektronische Schalter gesperrt bzw. der Parallelstromkreis geöffnet In diesem Zeitpunkt hat aber der Ladekondensator die im Sekundärkreis nicht verbrauchte Energie in Form einer elektrischen Ladung, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen wie die ursprüngliche Ladung aufgenommen. Die dem elektronischen Schalter parallel geschaltete Diode ist nun se angeordnet, daß sie bei der am Ladekondensator anliegenden umgekehrten Polarität durchgängig ist und dadurch ein Weiterlaufen des Schwingungsvorganges gestattet. Mit der erneuten Umladung des Ladekondensators auf die ursprüngliche Polarität sperrt dann auch die Diode und öffnet dadurch vollständig den Parallelstromkreis von Ladekondensator und Primärwicklung des Impulstransformators. Es läßt sich zwar auf diese Weise der durch das Umladen des Kondensators eintretende Energieverlust vermeiden. Jedoch setzt diese Energierückgewinnung voraus, daß die elektrische Schwingung zum Umladen des Ladekondensators nicht über den Ladestromkreis abfließen kann. Es muß deshalb ein ohmscher Widerstand im Ladestromkreis angeordnet werden, der die Nachteile einer wesentlichen Erhöhung der Ladezeit für den Ladekondensator und eines beträchtlichen Energieverlustes beim Laden des Ladekondensator*; verursacht.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die aus DE-OS 27 33 145 bekannte, den Einschwingvorgang des gekoppelten Serien- und Parallelschwingkreises zur Steuerung des Schaltelementes ausnutzende Schaltungsanordnung dahingehend wesentlich zu verbessern, daß das Schaltelement im ParaUelstromkreis von Ladekondensator und Primärwicklung des Impulstransformators sicher zu einem vorherbestimmbaren, reproduzierbaren Zeitpunkt gesperrt wird bzw. diesen Parallelstromkreis öffne;, sobald ausreichend Energie für einen gewünschten Impuls, beispielsweise einen auf einen Elektrozaun zu legenden Impuls dem Ladekondensator entnommen worden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Thyristor bezüglich seiner Freiwerdezeit und der Impulstimer bezüglich der Breite des Zündimpulses bzw. die der Freiwerdezeit des Thyristors und der Breite des Zündimpulses analogen Phasenlagen der vom Fremdsteucrungselement auf den Transistor gegebenen Signale derart auf die durch die elektrischen Größen des Impulstransformators und der angeschlossenen Kondensatoren im gekoppelten Serien- und Parallelschwingkreis gegebenen und den ersten sinusförmigen Strom, der beim Schließen des Parallelschaltungskreises von Ladekondensalor und Primärwicklung des Irnpulstransformators auftritt, bestimmenden elektrischen Werte von Streuinduktivi'ät, sekundärseitig wirksamer Kapazität und ohm'schen Serienwiderstand abgestimmt sind, daß während der ersten negativen Halbwelle (zwischen Ji\ und 2jr_t) des sinusförmigen Stromes der Thyristor bzw. der Transistor gesperrt wird und djr auslösende Zündimpuls, der den Thyristor bzw. den Transistor leitend macht, kürzer als die erste positive Halbwelie (zwischen 0 und tc\) dieses sinusförmigen Stromes ist.

Bei Anwendung der Erfindung in Elektrozaungeräten ergeben sich zwei wesentliche Vorteile:

Vermeidung von Verlusten und Erhöhung des Schreckeffektes an Elektrozäunen. Beide Wirkungen stellen wesentliche Verbesserungen in der Elektrozauntechnik dar.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist aprallel zur Sekundärwicklung des Impulstransformators ein fester elektrischer Kondensator angeschlossen, der parallel zu dem sekundärseitig angeschlossenen elektrischen Kondensator liegt, wobei in eine oder in beide Verbindungsleitungen zwischen diesen Kondensatoren eine oder mehrere Dioden geschaltet sind. Auf diese Weise kan.i Jer sekundärseitig angeschlossene elektrische Kondensator ständig in geladenem Zustand, d. h. einer weitgehend der Impulsspannung entsprechenden elektrischen Spannung gehalten werden. Die vom sekundärseitig angeschlossenen elektrischen Kondensator mit jedem Impuls übernommene Energie stellt damit lediglich eine Ergänzung der zwischen den Impulsen durch elektrische Ableitung oder dergleichen abgegebenen Energie dar. Für Elektrozäune hat dies den besonderen Vorteil, daß der Zaun praktisch ständig auf einer geeigneten elektrischen Spannung gehalten wird, um sofort bei Berührung einen entsprechenden elektrischen Schlag auszuüben.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Fremdsteuerung eines als Schalter benutzten Transistors Einrichtungen zum Abstimmen auf die Länge bzw. Kapazität einer sekundärseitig angeschlossenen Leitung enthält.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung niiher erläutert. Es zeipt

Fig. 1 eine Prinzipschaltung des erfindungsgemäßen Impulsgenerators, der alternativ aus einer Gleichspannungsquelle oder einer Wechselspannungs-juelle gespeist wird;

Fig.? den Impulsgenerator gemäß Fig. 1 mit dem äquivalenten Ersatzschaltbild seines Impulstransformators;

Fig.3 eine abgewandelte Ausführungsform des Impulsgenerators nach Fig. 1, bei der der Elektrozaun über eine Diode angekoppelt und ein Festkondensator parallel zur Sekundärwicklung des Impulstransformator gelegt ist, und

Fig. η den prinzipiellen zeitlichen Verlauf des Stromes durch den Thyristor während eines Impuls Vorganges bei Geräten nach dem Stand der Technik. .

In der Darstellung der Fig. 1 sind W, und W₂ die Primärwicklung und die Sekundärwicklung eines Impulstransformators 7;r>iit den zugehörigen Induktivitäten U und la. L₁1 und L_s2 sind die jeweiligen Streuinduktivitäten, die Üblicherweise einige Prozent der jeweiligen Hauptinduktivität betragen. R₁ und R^ sind die ohmschen Wicklungs- und Leitungswiderstände. Ci ist ein — vorzugsweise großer — Ladekondensator, welcher wie dargestellt — über den Thyristor Th an die Primärwicklung 1-V₁ angeschlossen ist. Der Ladekondcnsator C] wir auf eine Spannung U] aufgeladen, und zwar

über eine vorgeschaltete Diode D\ aus einer Gleichspannungsquelle. die beispielsweise ein DC-DC-Wandler Gi oder eine mit Gleichrichter ausgestattete Wechselspannungsquclle Cm sein kann.

Parallel zur Sekundärwicklung des Impulstransformator Trist eine Kapazität C, geschaltet, die vorzugsweise die Kapazität eines Zaundrahtes gegenüber dem Erdboden darstellen soll. Diese Kapazität G kann aber auch in anderer Anwendung ein fester Kondensator oder dergleichen sein. R_y ist ein ohmscher Widerstand, der z. B. zugeschaltet wird, wenn ein Tier den Zaundraht berührt, wobei über diesen Widerstand (respektive Tierkörper) Energie verbraucht wird.

T ist ein an sich bekannter impulstimer. der vorzugsweise in Abständen von ca. I see bis 2 see einen kurzen Zündimpuls auf das Gitter des Thyristors Th gibt und diesen leitend macht, wobei der Timer vorzugsweise direkt aus der jeweiligen Spanniingsqiielle gespeist wird.

Fig. 2 zeigt das elektrische Wirkschema, das dem Impulsgenerator gemäß F i g. 1 entspricht. L ist die äquivalente Ersatzinduktivität des Impulstransformator, L, die Ersatzinduktivität der Streuinduktivität und R der Ersatzwiderstand. Der Impulstransformator hat in der Regel ein Übersetzungsverhältnis, wobei W) größer als VV, ist. Alle Größen im Ersatzschaltbild sind entweder auf die Primärscite oder auf die Sekundärseite zu beziehen.

Der Ladekondensator G sei auf die Spannung U\ aufgeladen. Ein Zündimpuls macht den Thyristor Tb leitend. Dadurch wird der Ladekondensator Q auf den Impulstransformator geschaltet. Die Ersatzinduktivität L ist groß gegenüber der Ersatzstreuinduktivität L* so daß die Impedanz der Strecke L,, R. C, wesentlich kleiner als die der Strecke über L ist. Wie F i g. 4 zeigt, fließt zunächst ein gedämpfter sinusförmiger Strom, der durch die Kreisgrößen der ersten Strecke bestimmt wird, und eine Kreisfrequenz von W| hat. Wegen der kleinen Werte von L_s gegenüber L und C, gegenüber C, ist die Frequenz dieser ersten Schwingung hoch. Nach Ablauf dieser als Einschwingvorgang bekannten Schwingung geht der Strom über in eine zweite Schwingung, die bestimmt wird durch die Kapazität des Ladekondensators G. die Ersatzinduktivität L des Impulstransformators und den Ersatzwiderstand R. Die Kreisfrequenz ω₂ dieser zweiten Schwingung ist daher wesentlich kleiner als die Kreisfrequenz ωι der ersten Schwingung.

Bevor der Thyristor Th leitend wird, ist in dem Ladekondensator G ein bestimmter elektrischer Energiebetrag gespeichert (V₂ G · W). Wird der Thyristor Th gezündet ur.ü erst ab dem Zeitpunkt π₂ gesperrt, wie dies nach dem Stand der Technik erfolgt, dann pendelt die Energie zwischen dem Ladekondensator G und der Ersatzinduktivität L des Impulstransformators. Der Ladekondensator G entlädt sich voll, und in der Induktivität L wird eine äquivalente magnetische Energie (Vj LP) aufgebaut, welche wiederum als kapazitive Energie nach dem Ladekondensator G zurückfließt — aber mit umgekehrter Polarität. Zum Zeitpunkt ;r₂ ist der Ladekondensator — unter Abzug der Verluste — mit umgekehrter Polarität wieder aufgeladen. Der Strom durch den Thyristor Th wird nun negativ, und der Thyristor sperrt. Wegen der jetzt umgekehrten Polarität der Energie im Ladekondensator G ist die Diode D< nun leitend, und die Energie fließt ab und gleicht sich in der vorgeschalteten Stromversorgung, z. B. im Netz aus. Die Energie ist verloren, sie kommt nicht wieder zurück. Der Ladekondensator C muß jetzt wieder aufgeladen werden. Dieser Vorgang wiederholt sich.

flci gut isoliertem Zaun — wenn nur die Zaunkapazitat G zugeschaltet ist — wird im Impulsgenerator und im angeschlossenen Zaun nur ein kleiner Teil der Energie (in R) verbraucht. Der Hauptteil der Energie geht durch die Umkehrung der Polarität und die dadurch bedingte Entladung des Ladekondensators G

ίο über die Stromversorgung verloren.

Wird ein Zaunableitwiderstand R₇ (beispielsweise Tierberührung) zugeschaltet, dann fließt die Energie aus dem ladekondensator G je nach Größe des Widerstandes R, ganz oder teilweise direkt in diesen Verbraucher

is und wird hier nutzbringend (beispielsweise in einen Schreckeffekt) umgesetzt. Im Zeitpunkt π₂ ist dieser Vorgang schon abgelaufen. Es kommt keine oder nur noch wenig Energie zum ladekondensator G zurück.

In der Regel ist ein Elektrozaun gut isoliert. Eine Tierberüniuiig iifiuci nur gsr.z ;c!icrs ststt und hat deshalb keinen merklichen Einfluß auf den Gesamt-Energiehaushalt des Elektrozaungerätes.

Die pro Impuls aus der Stromquelle entnommene Energie ist bei herkömmlichen Geräten als Verlustenergie abzuschreiben. Bei aus dem elektrischen Versorgungsnetz betriebenen Geräten ist dies tragbar, weil dieser Energiebetrag auch bei leistungsstarken Geräten sehr gering ist. Wichtig wird diese Energieverschwendung aUr bei aus Batterien betriebenen Geräten, deren

so Anteil in der Praxis sogar 80% beträgt Diese Geräte werden aus Spezial-Trockenbatterien betrieben, die relativ teuer sind. Wie oben dargelegt, wird diese teure Energie praktisch vollständig iii reine Verlustenergie umgesetzt.

Vi Eine grundsätzliche Abhilfe wird gemäß der Erfindung geschaffen, wenn der Thyristor bereits mit dar negativen Halbwelle der ersten sinusförmigen Schwingung gesperrt wird (πι bis 2λι). Bis zu diesem Zeitpunkt ist aus dem Ladekondensator G nur so viel Energie

4i abgeflossen, wie benötigt wird, um die Zaunkapazität C, aufzuladen. Die Zaunkapazität C₁ ist in der Regel klein gegenüber der Kapazität des Ladekondensators G. so daß der Hauptteil der Energie unverändert in dem Ladekondensator G verbleibt.

Erfindungsgemäß werden daher die Größen der Streuinduktivität L₅, des Ersatzwiderstandes R und der sekundärseitigen Kapazität, d. h. eine der Zaunkapazität C₁ oder eines parallel zur Sekundärwicklung Wi des Impulstransformator geschalteten Festkondensators

;o C₂, sowie die Freiwerdezeit des Thyristors 77? so gewählt, daß der Thyristor durch die negative Halbwelle der ersten Schwingung (jti bis 2λι) gesperrt wirt. Dabei muß allerdings der Zündimpuls bereits bei n\ abgelaufen sein, damit nicht der Zündimpuls den Thyristor offenhält. Der Entladevorgang des Ladekondensators G wird wieder unterbrochen. Es wird dann aus dem Ladekondensator G nur so viel Energie entnommen wie nötig ist, um die sekundärseitige Kapazität, sei es ein parallel geschalteter Festkondensator Ci oder die Zaunkapazität Gs aufzuladen. Die dabei vom Ladekondensator G abgegebene Energie wird aus der vorgeschalteten Energiequelle nachgeliefert

Im Fall der Tierberührung wird ein Ableitwiderstand R₂ parallel zur Zaunkapazität C₁ zugeschaltet Dies führt zu einer starken Dämpfung der ersten Schwingung, wobei die zweite Halbwelle der ersten Schwingung zwischen π\ und 2π\ wesentlich kleiner wird bzw. nicht mehr erscheint Der Thyristor Th wird jetzt nicht mehr

gesperrt. Die Energie des l.adekundcnsalors C₁ entlädt sich jetzt voll über den zugeschalteten Widerstund R,- bzw. den Tierkörper, wobei diese Energie oder ein Teil derselben durch Muskelkontraktion einen Schmer/effekt erzeugt.

Bei der oben erläuterten erfindungsgcmäßen Abstirniming und dem Aufbau der Schallungsanordnung gemäß I i g. I und 2 wird normalerweise die auf die /aup'.-ipa/itäl C, gcgebetie Ladung iber die vorgeschalte'.e Induktivität wieder entladen, so daß auch dieser F.nergiebetrag verlorengeht. Sollte bei sehr langen Elektrozäuncn die Zaunkapazität C, doch einen

erheblichen Wert annehmen, so kann in einer in F i g. 3 dargestellten Abwandlung durch Zuschaltung einer Diode Di der Rückfluß dieser Energie verhindert werden. Es fällt dann hier praktisch kein Energicverlust mehr an. Es ist aber in diesem EaII notwendig, einen festen Kondensator Ci vorzusehen, damit sich die erste sinusförmige Schwingung ausbilden kann. Dieser Festkondensator Cj kann in seiner Kapazität klein gegenüber der Kapazität des Ladekondensators C\ gehallen werden, so daß auch die Verluste, die durch diesen Festkondensator Q unvermeidlich sind, kleingehalten werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Impulsgenerator, insbesondere zur Erzeugung von Weidezaunimpulsen, mit einem Impulstransformator, dessen Induktivitäten (L)und Streuinduktivitäten (L₅) mit einem primärseitig angeschlossenen elektrischen Ladekondensator (Q) und einem sekundärseitig angeschlossenen elektrischen Kondensator (Cy, Ci, Cr), beispielsweise einer Zaunkapazität, einen gekoppelten Serien- und Parallelschwingkreis bilden, wobei in den Parallelschaltungskreis von Ladek.ondensator (Ci) und Primärwicklung (W\) des Impulstransformators ein mittels eines Impulstimers (T) zum Zünden in vorher festgelegter zeitlicher Folge gesteuerter Thyristor is (Th) oder ein mit Fremdsteuerung versehener Transistor als Schalter eingesetzt und der Ladekondensator (Ci) ständig an einen Ladestromkreis (Gw Gz) angeschlossen und die Kapazität des Ladekondensators (C\) wesentlich größer als die Kapazität des sekuDcürseitig angeschlossenen Kondensators (C_x; C₂, C_x) ist, wobei ohne Energieableitung im Sekundärkreis zur Vermeidung von Energieverlusten der im Seriein- und Parallelschwingkreis auftretende Einschwingungsvorgang zum Sperren des Thyristors (Th) bzw. Transistors bei nur teilweiser Entladung des L?.dekondensators (C\) herangezogen wird, und eine durch Zuschaltung eines vorher festgelegten sekundärseitigen Widerstandes (R₁) hervorgerufene Dämpfung die negative Halbwelle (zwischen tc\ und 2*τι) des Einschwingstromes auspichend unterdrückt, so daß sie den Thyristor bzw. Transistor nicht mehr sperrt und der Ladekondensator (Q) vollständig entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristör (Th) bezüglich seiner Fruwerdezeit und der Impulstimer f7}bezüglich der Breite des Zündimpulses bzw. die der Freiwerdezeit des Thyristors und der Breite des Zündimpulses analogen Phasenlagen der vom Fremdsteuerungselement auf den Transistör gegebenen Signale derart auf die durch die elektrischen Größen des Impulstransformators und der angeschlossenen Kondensatoren (C₁, C2, C) im gekoppelten Serien- und Parallelschwingkreis gegebenen und den ersten sinusförmigen Strom, der beim Schließen des Parallelschaltungskreises von Ladekondensator (Q) und Primärwicklung (WC) des Impulstransformators auftritt, bestimmenden elektrischen Werte von Streuinduktivität (L_s), sekundär seitig wirksamer Kapazität (C_s) und ohmschem so Serienwiderstand (R) abgestimmt sind, daß während der ersten negativen Halbwelle (zwischen -τι und 2vTi) des sinusförmigen Stromes der Thyristor (Th) bzw. der Transistor gesperrt wird und der auslösende Zündimpuls, der den Thyristor (Th) bzw. den Transistor leitend macht, kurzer als die erste positive Halbwelie (zwischen 0 und :t\) dieses sinusförmigen Stromes ist.

2. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Sekundärwicklung (W₁) des Impulstransformator* ein fester elektrischer Kondensator (Ci) angeschlossen ist, der parallel zu dem sekundärseitig angeschlossenen elektrischen Kondensator (C) liegt, wobei in eine oder in beide Verbindungsieitungen zwischen diesen Kondensatoren (C, und C2) eine oder mehrere Dioden geschaltet sind.

3. Impulsgenerator nach Anspruch 1. dadurch

gekennzeichnet, daü die Fremdsteuerung eines als Schalter benutzten Transistors Einrichtungen zur Abstimmung auf die Länge bzw. Kapazität (C,) einer angeschlossenen Leitung enthält.