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Stand der Technik mit Fundstellen
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- 1. Es ist bekannt, wenn ein R-L-Glied mit Freilaufdiode über einen Schalter geschaltet wird, dass beim Einschalten (Schalter zu) die Induktivität 'geladen wird' und dabei Strom durch den Widerstand fließt. Es entsteht durch die Stromänderung eine Induktionsspannung in der Induktivität.
- Beim Ausschalten (Schalter auf) führt die Stromänderung zu einer Induktionsspannung, die den Stromfluss weiter aufrecht halten will. Die Induktivität wirkt somit als Spannungsquelle, die so gepolt ist, dass der Strom in der bisherigen Richtung weiterfließt. Der Strom fließt hierbei über die Freilaufdiode D auch wieder durch den Widerstand R (*1). Siehe auch 1.
- 2. Es ist weiterhin bekannt, wie das Lade- bzw. Entladeverhalten von Kondensatoren funktioniert. Ist in vielen Elektronischen Tabellenbüchern beschrieben.
- 3. Des Weiteren ist bekannt, wie sich die Grundschaltung eines Aufwärtswandlers verhält. Hierbei ist eine Induktivität (Spule) L in Reihe mit einer Freilaufdiode D geschaltet, hinter der ein Ladekondensator C die Ausgangsspannung aufsummiert. Die Spule wird durch einen GTO-Thyristor oder einen Transistor gegen Masse geschaltet. An der Spule fällt nun die Eingangsspannung UE ab, der Strom durch die Spule und damit die im Magnetfeld gespeicherte Energie steigen an. Wird der Schalter geöffnet, versucht die Spule den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Die Spannung an ihrem sekundären Ende steigt sehr schnell an, bis sie die am Kondensator C anliegende Spannung UA übersteigt und die Diode öffnet. Der Strom fließt im ersten Moment unverändert weiter und lädt den Kondensator weiter auf. Das Magnetfeld wird dabei abgebaut und gibt seine Energie ab, indem es den Strom über die Diode in den Ladekondensator und zur Last treibt (*2). Siehe auch 2.
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Problem
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Die Idee oder das Problem ist nun, den Eingangsstrom aus der Versorgungsspannung, welcher durch den Widerstand fließt, in Induktivität(en) und Kondensator(en) zu speichern und eventuell mithilfe der zuvor beschriebenen Schaltungen über den Widerstand zurückzuführen. Der Strom durch den Widerstand erhöht sich dadurch entsprechend gegenüber dem Eingangsstrom aus der Eingangsspannungsquelle und ist die Summe aus Eingangsstrom und den rückgeführten Strömen. Den gespeicherten Strom zurückzuführen stellt das eigentliche Problem dar. Außerdem können anstelle des Widerstands sogenannte Verbraucher und Spannungsquellen, z. B. Elektrolyseur, Motor, Akku, Lampe usw., eingesetzt werden, welche dann den gesamten aufsummierten Strom nutzen können.
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Lösung
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Diese Probleme bzw. diese Ideen werden durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Erreichte Vorteile
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Strom, welcher durch den Widerstand R fließt, die Summe aus dem Eingangsstrom der Versorgungsspannung UB und den in den Induktivitäten und Kondensatoren rückgeführten Strömen nach dem Ausschalten des Schalters S1 ist. Dadurch ist der Strom durch den Widerstand R grösser als der Eingangsstrom aus der Eingangsspannung UB.
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Weitere Ausgestaltung der Erfindung
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung könnte darin liegen, anstelle des Widerstands R einen Elektrolyseur oder einen zu ladenden Akku einzusetzen. Es würde dann entsprechend dem durch den Elektrolyseur fließenden Strom mehr Wasserstoff erzeugt werden, als wenn nur der Strom aus der Eingangsspannung UB dazu verwendet werden würde.
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Als Nachteil ist der Wirkungsgrad zu sehen, welcher bei kleinen Versorgungsspannungen mit direkt an die Spannungsquelle UB angeschlossenem Elektrolyseur besser ist (wenn richtig gerechnet).
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Sollte jedoch schon eine höhere Versorgungsspannung vorhanden sein, könnte sich der Einsatz dieser Schaltungen mit einem Elektrolyseur als vorteilhaft erweisen.
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Beschreibung mit Ausführungsbeispielen
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Mehrere Ausführungsbeispiele sind in den verschiedenen Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Die 1, 2, 3a bis 7a zeigen Schaltungsbeispiele zum Laden und Entladen von Induktivitäten und Kondensatoren über den Widerstand R oder die Spannungsquelle U. Außerdem sind die Stromverläufe (3b bis 7b) der verschiedenen Stromkreise, welche durch den Widerstand R bzw. Spannungsquelle U fließen, eingezeichnet. Die Schaltungen wurden mit dem Programm TinyCAD gezeichnet. Die Stromverläufe wurden unter LTSpice simuliert.
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Die Stromverläufe wurden einmal bei kleiner Versorgungsspannung und einmal bei höherer Versorgungsspannung simuliert und dann gezeichnet. Die Stromstärke ist bei höherer Versorgungsspannung UB größer als bei kleiner UB, ist jedoch in den Stromverläufen nicht mit berücksichtigt.
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Die Stromstärke liegt bei den Simulationen zwischen wenigen mA, bei kleiner Versorgungsspannung UB, und bei einigen A, bei hoher Versorgungsspannung UB.
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3a zeigt die bekannte Schaltung eines RL-Gliedes, welches mit der getakteten Versorgungsspannung UB betrieben wird. 3b zeigt die entsprechenden Stromverläufe. Der Versorgungsstrom I1 fließt bei geschlossenem Schalter SW (Schalterstellung 1) durch den Widerstand R und die Induktivität L. Wird der Schalter wieder geöffnet, fließt der durch die Induktivität erzeugte Strom weiter über die Freilaufdiode D, hier I3. Die Schaubilder neben der Schaltung zeigen die entsprechenden Stromverläufe. Der Strom I2 ist die Summe aus I1 und I3. Der mittlere Strom I3 ist dabei in etwa gleich groß wie der mittlere Strom I1.
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4a zeigt die gleiche bekannte Schaltung wie 3a, nur wurde hier der Widerstand R durch eine Spannungsquelle U ersetzt. 4b zeigt die entsprechenden Stromverläufe. Die Stromverläufe sind ähnlich derer in 3a. Es ist hier erkennbar, dass der Strom I3 bei kleiner Versorgungsspannung UB schneller abfallt, als ohne Spannungsquelle U. Der Betrag des mittleren Stromes von I3 ist dadurch auch kleiner wie in 3a, ebenso die Summe des Stromes I2 aus I1 und I3.
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5a besteht auch wieder aus einem RL-Glied (R und L1). 5b zeigt die entsprechenden Stromverläufe. Dieses RL-Glied wird auch nach dem Schließen der Schalters SW1 und SW2 in Schalterstellung 1 vom Strom I1 durchströmt. Des Weiteren befindet sich im Freilaufzweig zusätzlich noch der Kondensator C1, welcher nach dem Öffnen der Schalter SW1, SW2 und SW3 (Schalterstellung 2) durch den Freilaufstrom I3 aufgeladen wird. Werden die Schalter wieder geschlossen (entsprechen Schalterstellung 1), wird der Kondensator C1 durch den nachfolgenden bekannten Aufwärtswandler über die zweite Induktivität L2 entladen. Dadurch wird die Induktivität L2 geladen und nach weiterem Umschalten der Schalter in Schalterstellung 2 fließt der Entladestrom der Induktivität L2 weiter in den Kondensator C2 und lädt diesen auf. Erreicht der Kondensator C2 das Spannungspotential wie am Widerstand R, fließt der Strom I4. Die einzelnen Ströme I1, I2, I3 und I4 sind wiederum in den Stromverläufen zu sehen. I2 ist dabei die Summe aus I1, I3 und I4. Der beschriebene Aufwärtsregler besteht aus Kondensator C2, Diode D3, Schalter SW6 und Induktivität L2.
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6a entspricht der Schaltung in 5a, mit dem Unterschied, dass der Widerstand R durch eine Spannungsquelle U ersetzt wurde. 6b zeigt die entsprechenden Stromverläufe. Wie in den Stromverläufen zu sehen ist, besteht der Unterschied zwischen 6a und 5a darin, dass der Freilaufstrom I3 bei kleiner Versorgungsspannung UB wegen der Spannungsquelle U, nach dem Umschalten der Schalter in Schalterstellung 2, steil abfällt. Der betragsmäßige Strom I3 ist dabei kleiner als in 5a. Die Summe des Stromes I2 besteht wiederum aus I1, I3 und I4 und ist betragsmäßig auch kleiner als in 5a.
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7a entspricht auch der Schaltung in 5a bzw. in 6a, erweitert um eine weitere Spannungsquelle U2 im Freilaufkreis des Stromes I3. 7b zeigt die entsprechenden Stromverläufe. Man erkennt in den Stromverläufen, dass sich die beiden Spannungsquellen fast wieder aufheben und der Betrag des Stromes I3 wieder in etwa gleich groß ist wie in 5a. Als Ergebnis dieser zusätzlichen gleichgroßen Gegenspannung im Freilaufkreis kann festgehalten werden, dass das steile Abfallen des Stromes I3 wieder kompensiert wird.
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8a zeigt wiederum eine neue Schaltung, wobei bei Schalterstellung 1 der Eingangsstrom I1 durch ein bekanntes RLC-Glied fließt. Dabei wird sowohl die Induktivität L1, als auch der Kondensator C1 geladen. 8b zeigt die entsprechenden Stromverläufe. Erfolgt das Umschalten der Schalter in Schalterstellung 2, fließt einerseits der Strom I3 beim Entladen der Induktivität L1 durch den Freilaufzweig über den Widerstand R. Gleichzeitig wird der Kondensator über den Widerstand R und Diode D4 als Strom I4 entladen. Die Summe des Stromes I2 besteht wiederum aus den Strömen I1, I3 und I4.
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9a zeigt die gleiche Schaltung wie 8a, mit dem Unterschied, dass der Widerstand R wieder durch eine Spannungsquelle U ersetzt wird. 9b zeigt die entsprechenden Stromverläufe. In den Stromverläufen ist bei kleiner Versorgungsspannung UB wieder der Strom I3 als stark abfallend zu erkennen. Die Summe des Stromes I2 besteht wiederum aus den Strömen I1, I3 und I4. Um nun den steilen Abfall des Stromes I3 wieder zu kompensieren, sollte wieder eine entsprechende Gegenspannung U2 im Freilaufzweig aufgebaut werden.
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Allgemein kann festgestellt werden, dass das Verhältnis der Eingangsleistung (mit I1) als P1 = UB·I1 und der Eingangsleistung (mit I2) als P2 = UB·I2 bei den gezeigten Schaltungen zwischen 1:1 bis 1:3 liegt. Jedoch sollte bei dieser Betrachtung das Verhältnis der Eingangsleistung zur Ausgangsleistung eines Elektrolyseurs, bei Anschluss eines Elektrolyseurs direkt an die Versorgungsspannung UB, mit berücksichtigt werden.
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Weitere Schaltungen mit Kondensatoren und Induktivitäten im Eingangsstromzweig I1 und im Freilaufzweig I3 sind möglich. Auch eine Verwendung der Induktivität anstelle des Widerstandes (bei z. B. R = 0 Ohm). Die Anordnung von Kondensatoren und Induktivitäten kann variieren. Auch sind Schaltungen mit mehreren Aufwärtswandlern möglich, um die in den Kondensatoren gespeicherte Energie zurückzuführen.
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Die folgende Formel (Quelle Wikipedia) zeigt z. B. noch die Berechnung der Erzeugung von Wasserstoff (H2), entsprechend der Stromstärke (I) bei Einsatz eines Elektrolyseurs:
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Wasserstoffproduktion in ml/min:
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H2 = I·11.2·60·1000/96485 [ml/min]
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- 'ANGEWANDTE ELEKTRONIK – EINFÜHRUNG WS 09/10' unter Internetseite http://www.controllersandpcs.de/lehrarchiv/pdfs/elektronik/einfuehrung\_09.pdf\newline [0001]
- 'Wikipedia – Aufwärtswandler' sind unter der Internetseite http://de.wikipedia.org/wiki/Aufw\%C3\%A4rtswandler [0001]
