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Dokumentenidentifikation DE19922036A1 03.08.2000
Titel Steuergerät und Verfahren zum Betreiben eines Elektrozaungeräts
Anmelder Fehse, Wolfgang, Dr., 87654 Friesenried, DE
Erfinder Fehse, Wolfgang, Dr., 87654 Friesenried, DE
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 85354 Freising
DE-Anmeldedatum 12.05.1999
DE-Aktenzeichen 19922036
Offenlegungstag 03.08.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.08.2000
IPC-Hauptklasse H05C 1/04
IPC-Nebenklasse A01K 3/00   
Zusammenfassung Offenbart ist ein Steuergerät, insbesondere zum Betreiben eines Elektrozauns mit einem Energiespeicherkondensator C, einem steuerbaren Schalter S zum Steuern der Entladezeit des Energiespeicherkondensators und einer Steuerschaltung ST, die mit dem steuerbaren Schalter verbunden ist. Das Steuergerät weist ferner eine Erfassungseinrichtung, die Informationen über eine elektrische Last an einer Ausgangsseite des Steuergeräts an die Steuerschaltung überträgt, auf. Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Elektrozaungeräts, wird zuerst eine Pulsperiode tG bezüglich der Spannung an einer Ausgangsseite des Elektrozaungeräts mit einem Pulszeitintervall tP, bei dem der steuerbare Schalter geschlossen ist, und einem darauf folgenden Zwischenpulsintervall tZ, bei dem der steuerbare Schalter geöffnet ist, erzeugt, wobei das Pulszeitintervall derart gewählt ist, daß nur ein Bruchteil eines Energiespeicherkondensators des Elektrozaungeräts während des Pulszeitintervalls entladen wird. Aufgrund des von der Erfassungseinrichtung erfaßten elektrischen Lastzustands an der Ausgangsseite des Elektrozaungeräts wird das Pulszeitintervall eingestellt.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrozaungeräts gemäß Anspruch 1 und ein Steuergerät, insbesondere zum Betreiben eines Elektrozauns, gemäß Anspruch 7.

Derartige Steuergeräte werden hauptsächlich als Steuergeräte für elektrische Weidezäune zum Hüten von Vieh bzw. Lebewesen eingesetzt.

Stand der Technik

Zur Bereitstellung einer gewünschten Gleichspannung aus einer anderen vorgegebenen Gleichspannung sind im Stand der Technik Gleichspannungswandler bekannt. In derartigen Gleichspannungswandlern wird eine gegebene Gleichspannung Ub, wie beispielsweise die einer Batterie, zunächst durch einen Schalttransistor (Schaltelement) im Schaltbetrieb durch induktive Erzeugung in eine periodische Impulsspannung umgesetzt, diese anschließend transformiert und gleichgerichtet. Fließt bei einem Gleichspannungswandler, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, Strom durch eine Last ZL (und durch die Spule L1), wenn das Schaltelement S leitend ist, so spricht man von einem Durchflußwandler. Hierbei verhindert die Freilaufdiode V1 die Induktionsspitzen, die beim Schalten entstehen und sorgt gleichzeitig für einen gleichförmigen Stromfluß. Treibt hingegen, wie es in Fig.2 gezeigt ist, die Spule L1 einen Strom durch die Last ZL, wenn das Schaltelement S sperrt, so spricht man von einem Sperrwandler.

Das in Fig. 1 dargestellte Prinzip eines Durchflußwandlers läßt sich auch auf eine Schaltung mit einem Transformator anwenden. Ein Transformator, der in einem Ersatzschaltbild betrachtet wird, enthält ebenso induktive Komponenten, die in einer derartigen Ersatzschaltung als in Reihe zur eigentlichen Last geschaltet betrachtet werden können. Im einfachsten Fall besteht ein Ersatzschaltbild eines Transformators aus einer Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands und einer Induktivität. Eine Schaltung, bei der anstatt der Spule L1 ein Transformator TR1 mit den Induktivitäten L1 und L2 verwendet wird, wobei eine Last ZL an die Ausgangsseite des Transformators TR1 gekoppelt ist, ist in Fig. 3 gezeigt. Wird in dem die Spule L1 aufweisenden Primärkreis der Schalter S geschlossen, so wird in der Spule L2 des Sekundärkreises bzw. Ausgangskreises ein Spannungsimpuls erzeugt. Als nachteilig bei einer derartigen Anordnungen stellt sich die durch den magnetischen Kreis begrenzte Energie heraus. Ferner kann magnetische Energie nicht ohne hohe Verluste zwischen gespeichert werden. Außerdem kann die Zeitdauer des Spannungspulses, sowie seine Energie bei gegebener Dimensionierung des magnetischen Kreises nicht verändert werden und hängt u. a. stark von der Impedanz des Ausgangskreises ab.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von energiereichen Hochspannungsimpulsen bietet die in Fig. 4 gezeigte Schaltungsanordnung. Hierbei wird ein Kondensator C durch einen Gleichspannungswandler DC/DC, der beispielsweise von einer Batterie mit niedriger Spannung gespeist wird, auf eine Spannung von mehreren hundert Volt aufgeladen und über einen Schwingkreis, dessen Hauptinduktivität L1 aus der Primärspule eines Hochspannungstransformators TR1 besteht, entladen. Dabei wird der Schwingkreis durch einen elektronischen Schalter S geschlossen, der meist als Thyristor ausgeführt ist und selbstgesteuert nach Unterschreiten seines Haltestroms schließt. An der ausgangsseitigen Spule Spule L2 wird entsprechend der Darstellung zu Fig. 3 ein Spannungsimpuls erzeugt. Als nachteilig bei einer derartigen Anordnung stellt sich dar, daß das Ausschalten des Schwingkreises nicht willkürlich möglich ist, sondern an die Eigenschaften und die Belastung des Schwingkreises gebunden ist. Eine willkürliche Steuerung der Energie ist daher kaum möglich. Auch die Anstiegsflanken der Hochspannung sind nicht ohne weiteres steuerbar und können erhebliche Enstörungsprobleme hervorrufen.

Das amerikanische Patent mit der Nummer 5514919 offenbart eine Energieversorgungseinrichtung für einen elektrischen Zaun mit einem Energiespeicherkondensator, einem steuerbaren Schalter zum Steuern der Ladung auf dem Speicherkondensator, einem Steuerschaltkreis, der mit dem steuerbaren Schalter verbunden ist, und einer Erfassungseinrichtung, die Informationen über die erfaßte elektrische Last an der Ausgangsseite der Energieversorgungseinrichtung für den elektrischen Zaun an den Steuerschaltkreis weiterleitet. Nach Empfang der in einem ersten Entladungszyklus erfaßten Informationen betreibt der Steuerschaltkreis den steuerbaren Schalter in einem darauf folgenden Entladungszyklus derart, daß die Ladung auf dem Kondensator in Abhängigkeit von der erfaßten elektrischen Last (beispielsweise bei Tierberührung) in einem vorgegebenen Bereich kontinuierlich variiert wird. Bei dieser Elektrozaunanordnung läßt sich zwar im Leerlauf eine Energieeinsparung erreichen, wenn der Energiespeicherkondensator nur mit einer geringen Ladungsmenge aufgeladen wird, jedoch ergibt sich daraus auch eine geringe Ausgangsspannung bei einer ersten Tierberührung, was eine geringe Abschreckwirkung zur Folge hat und damit die Hütesicherheit des Elektrozauns negativ beeinflußt wird.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuergerät und ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrozauns zu schaffen, das an den jeweiligen Lastzustand derart anpaßbar ist, daß eine optimale Hütesicherheit bei erheblicher Energieeinsparung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zum Betreiben eines Elektrozauns durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Steuergeräts durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Elektrozaungeräts wird zunächst eine Pulsperiode bezüglich der Spannung an einer Ausgangsseite des Elektrozaungeräts mit einem Pulszeitintervall und einem darauf folgenden Zwischenpulsintervall erzeugt, wobei das Pulszeitintervall derart gewählt ist, daß nur ein Bruchteil eines Energiespeicherkondensators des Elektrozaungeräts während des Pulszeitintervalls entladen wird. Währenddessen wird der elektrische Lastzustand an der Ausgangsseite des Elektrozaungeräts erfaßt und das Pulszeitintervall auf der Grundlage der erfaßten Last eingestellt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Anpassung der abzugebenden Energie an den Elektrozaun durch Änderung der Impulsdauer bzw. des Pulszeitintervalls und nicht durch die Änderung der in dem Energiespeicherkondensator gespeicherten Ladungsmenge erfolgt. Dadurch wird die Ausgangsspannung am Elektrozaungerät nicht verändert, was im Hinblick auf die Hütesicherheit von Weidezäunen eine ganz entscheidende Bedeutung hat.

Trotz der optimierten Hütesicherheit läßt sich im Gegensatz zum Stand der Technik ferner eine Optimierung des Energieverbrauchs dadurch erreichen, daß die Energieabgabe der Ausgangslast stets genau und stufenlos angepaßt werden kann.

Durch die richtige Wahl der durch den Benutzer oder auch automatisch änderbaren Regelcharakteristik ist damit einerseits eine exakte Anpassung an die unterschiedlichen Hütebedingungen für verschiedene Tierarten und Zaunlasten mit einem Gerät möglich. Andererseits wird im Leerlauf, d. h. wenn keine Last am Elektrozaun liegt, trotz hoher Spannungen nur einen sehr kleine Energiemenge verbraucht.

In DE 30 09 838 C2 wird ein Elektrozaungerät nach dem Kondensator-Flußwandlerprinzip beschrieben, bei welchem durch Abstimmung der im Zaunkreis vorhandenen Reaktanzen (einschließlich sämtlicher Zaunimpedanzen!) erreicht wird, daß im Leerlauf durch schwingungsbedingtes Abschalten des als Schaltglied verwendeten Thyristors ebenfalls eine Energieeinsparung erreicht wird.

Gegenüber diesem bekannten Prinzip hat die hier beschriebene Schaltung den Vorteil, daß die Steuerung der Energieabgabe vollkommen willkürlich und stufenlos der ausgangsseitigen Last angepaßt werden kann. Außerdem ist keine kompromißbehaftete und aufwendige Anpassung der im Zaunkreis vorhandenen Reaktanzen notwendig und die ordnungsgemäße Funktion des Gerätes ist von zaunseitigen Impedanzen unabhängig.

Aus der Möglichkeit, das Pulszeitintervall willkürlich und stufenlos anzupassen, ergibt sich eine mit dem Stand der Technik nicht erreichbare Dynamik der Ausgangsenergie von Elektrozaungeräten.

In dem dargestellten Verfahren wird die an die Ausgangsseite des Elektrozauns abzugebende Maximalenergie über die Pulslänge bzw. das Pulszeitintervall bestimmt. Haben Geräte im Stand der Technik - verbrauchsseitig gesehen - eine maximale Spanne von etwa 1 : 5 zwischen Leerlauf, d. h. im unbelasteten Fall, und Vollast, so läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Bereich zwischen 1 : 20 bis 1 : 100 erreichen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Erfassen des Lastzustands und das Einstellen des Pulszeitintervalls in einer geschlossenen Regelschleife ohne Totzeit erfolgt, so daß dann in dem - relativ seltenen - Fall einer Tierberührung mit dem Zaun durch unmittelbare Verlängerung des Pulszeitintervalls eine erhebliche Schlagstärke erreichbar ist. Das bedeutet, das Erfassen des Lastzustandes während der Erzeugung einer Pulsperiode und die Reaktion darauf erfolgt in der gleichen Pulsperiode, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem erst mit Verzögerung auf den ersten Impuls oder sogar erst in einer zweiten Pulsperiode reagiert wird. Gleichzeitig wird während der - meist vorherrschenden - Leerlaufphasen durch entsprechende kurze Pulse bzw. Pulszeiten erheblich weniger Energie verbraucht.

Das Ausgleichen der dem Energiespeicherkondensators entnommenen Ladungsmenge erfolgt in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise mittels eines Gleichspannungswandlers.

Neben dem rein lastabhängigen Einstellen des Pulszeitintervalls ist es auch möglich, dieses zusätzlich auf der Grundlage einer vorbestimmten minimalen Ausgangsspannung des Elektrozaungeräts einzustellen, wobei sich das Pulszeitintervall aus der zum Erreichen dieser Ausgangsspannung notwendingen Zeit ergibt.

Um die sonst eher störende kapazitive Komponente des Elektrozauns als funktionelles Element auszunutzen wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Gleichrichtung an der Ausgangsseite des Elektrozauns vorgesehen. Da der ausgangsseitige Impuls bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stets unipolar ist, muß der verwendete Gleichrichter nur für eine geringere Sperrspannung als im Stand der Technik ausgelegt werden, wo unter bestimmten Belastungssituationen bipolare Impulse mit hohen Spitzenspannungen auftreten können. Bei gut isoliertem Zaun wird dadurch der Energieverbrauch durch die kapazitive Belastung minimiert und der Stromverbrauch in diesem Fall weiter gesenkt. Außerdem kann dadurch erreicht werden, daß bei jeder Berührung des Zauns, selbst wenn das entsprechende Elektrozaungerät zum Betreiben des Zauns gerade keinen Impuls abgibt, ein Stromschlag erzeugt wird. Damit wird die Hütesicherheit weiter gesteigert.

Um eine optimale Verbindung zwischen Hütesicherheit und Energieeinsparung zu erreichen, ist es vor allem im Leerlauffall wichtig, ein bestimmtes Verhältnis von Pulsperiode zu Pulszeitintervall vorzusehen. Vorteilhafterweise beträgt im Leerlauf die Pulsperiode ungefähr 1 Sekunde und das Pulszeitintervall ungefähr 20 bis 1000 µ-Sekunden.

Ein Steuergerät, das sich insbesondere zum Betreiben eines Elektrozauns eignet, weist im wesentliche einen Energiespeicherkondensator und einen steuerbaren Schalter zum Steuern der Entladezeit des Energiespeicherkondensators auf. Der steuerbare Schalter ist dabei wiederum mit einer Steuerschaltung verbunden. Ferner weist das Steuergerät eine Erfassungseinrichtung, die Informationen über eine eletrische Last an einer Ausgangsseite des Steuergeräts an die Steuerschaltung überträgt, auf, wobei die Steuerschaltung den steuerbaren Schalter derart steuert, daß die Entladezeit an die erfaßte elektrische Last angepaßt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Steuergerät ferner einen Hochspannungstransformator mit einer Primärspule, die Teil eines Primärkreises ist, und einer Sekundärspule, die Teil eines Sekundärkreises, der die Ausgangsseite des Steuergeräts darstellt, ist, auf, wobei neben der Primärspule ebenso der Energiespeicherkondensator und der steuerbare Schalter in dem Primärkreis integriert sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Steuergeräts ist parallel zur Primärspule eine Freilaufdiode geschaltet, durch die der magnetische Energieinhalt der Spule abbaubar ist. Alternativ dazu kann in der Nähe der Primärspule eine weitere Spule angeordnet sein, durch die ein Teil des magnetischen Energieinhalts des Hochspannungstransformators wieder in den Stromversorgungskreis rückführbar ist.

Zur Ausnutzung der sonst störenden kapazitiven Komponente des Elektrozauns als funktionelles Element wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des eine Gleichrichtung an der Ausgangsseite des Elektrozauns vorgesehen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Gleichrichtung an der Ausgangsseite des Steuergeräts vorgesehen. Dadurch kann, wie oben bereits erwähnt worden ist, bei Verwendung des Steuergeräts zum Betreiben eines Elektrozauns die sonst störende kapazitive Komponente des Elektrozauns als funktionelles Element ausgenutzt werden.

Zum Erreichen höherer Ausgangsleistungen bzw. parallelen Erzeugen mehrerer Hochspannungsimpulse kann das Steuergerät eine Vielzahl von Hochspannungstransformatoren aufweisen, deren Primärkreise parallel geschaltet und mit dem Energiespeicherkondensator verbunden sind, wobei jeder Primärkreis einen jeweiligen steuerbaren Schalter aufweist.

Als steuerbarer Schalter, mit dem die auftretenden Spannungen und Ströme quasi willkürlich schaltbar sind, wird vorteilhafterweise ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet. Ferner kann als Energiespeicherkondensator ein Elektrolytkondensator verwendet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung steuert die Steuerschaltung den steuerbaren Schalter derart, daß eine Pulsperiode erzeugt wird, innerhalb der mehrere Pulszeitintervalle in einem Abstand von 50 bis 10000 µ- Sekunden folgen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung für einen Gleichspannungswandler in der Ausführung eines Durchflußwandlers im Stand der Technik;

Fig. 2 eine Schaltung für einen Gleichspannungswandler in der Ausführung eines Sperrwandlers im Stand der Technik;

Fig. 3 eine Schaltung für einen Gleichspannungswandler in der Ausführung eines Durchflußwandlers mit integriertem Transformator im Stand der Technik;

Fig. 4 eine Schaltung zur Erzeugung von energiereichen Hochspannungsimpulsen;

Fig. 5 eine Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen gemäß einer ersten Ausführungsform, die in einem erfindungsgemäßen Steuergerät verwendet wird;

Fig. 6 Diagramme zur Erläuterung der Erzeugung von Hochspannungsimpulsen gemäß einer ersten Ausführungsform, die in einem erfindungsgemäßen Steuergerät verwendet wird;

Fig. 7 eine Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in einem erfindungsgemäßen Steuergerät verwendet wird; und

Fig. 8 eine Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen gemäß einer ersten Ausführungsform, die in einem erfindungsgemäßen Steuergerät verwendet wird.

Erste Ausführungsform

Im folgenden soll nun Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, die in einem erfindungsgemäßen Steuergerät verwendet wird gemäß einer ersten Ausführungsform anhand von Fig. 5 erläutert werden. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Ein Energiespeicherkondensator C wird zunächst durch einen Gleichspannungswandler DC/DC, der von einer Stromversorgungsquelle mit einer meist niedrigen Gleichspannung Ub, wie beispielsweise einer Batterie, einem Akkumulator, einem Solarmodul oder einem Netzgerät mit niedriger Ausgangsspannung gespeist wird, auf eine Primärkreisspannung bzw. Zwischenkreisspannung UCZ von mehreren 100 Volt aufgeladen. Diese Ladung bleibt - abgesehen von Verlusten durch Leck- oder Meßströme - ohne weitere Energiezufuhr erhalten. Zu einem frei wählbaren Zeitpunkt wird ein Schalter S. der vorteilhafterweise als IGBT ausgeführt ist, mittels einer Steuerlogik ST eingeschaltet bzw. geschlossen, wodurch ein Strom in dem aus der Primärspule L1 und dem Kondensator C bestehenden Schwingkreis fließt. Die Höhe des Stroms und damit die ausgangsseitige Spannung, d. h. die induzierte Spannung an der Sekundärspule L2 ist dabei von der ausgangsseitigen elektrischen Last ZL des Hochspannungstransformators, den Impedanzen des Schwingkreises selbst und der in dem Kondensator C gespeicherten Ladungsmenge abhängig.

Nach einer gewissen variablen Zeit tP, deren Bestimmung bzw. Einstellung unten näher erläutert wird, wird der Schalter S mittels der Steuerlogik ST wieder ausgeschaltet bzw. geöffnet, wobei unter Abklingen der ausgangsseitigen Hochspannung der magnetische Arbeitsinhalt der Spule L1 über die Diode D1 abgebaut wird. In dieser ersten Ausführungsform fließt also der Strom im Kurzschluß durch den Kreis L1 - D1, wodurch die Ausgangsspannung nur langsam abfällt und im Ausgangskreis weiter Energie abgegeben werden kann. Nachdem der Schalter S geöffnet ist, wird die dem Energiespeicherkondensator C entnommene Ladungsmenge während eines Zwischenzeitintervalls tZ durch den Gleichspannungswandler DC/DC wieder ausgeglichen. Somit wird eine Pulsperiode tG mit einem Pulszeitintervall tP und einem darauffolgenden Zwischenpulsintervall tZ erzeugt.

Zur Ausnutzung der sonst störenden kapazitiven Komponente CA des Elektrozauns als funktionelles Element ist ferner eine optionale Gleichrichtung D2 an der Ausgangsseite des Elektrozauns vorgesehen.

Wie bereits erwähnt worden ist, ist die variable Größe bei dem erfindungsgemäßen Prinzip zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen das Pulszeitintervall tP. Aufgrund von Überlegungen bezüglich Hütesicherheit und Energieverbrauch beispielsweise bei einem Elektrozaun zum Hüten von Tieren wird das Pulszeitintervall tP im Leerlauf vorteilhafterweise auf ungefähr 20 bis 1000 µ-Sekunden eingestellt, wobei die Pulsperiode tG ungefähr eine Sekunde beträgt. Hierbei ist zu beachten, daß das Pulszeitintervall tP derart eingestellt ist, daß nur ein Bruchteil der in dem Energiespeicherkondensator gespeicherten Ladungsmenge entnommen wird. Zur Verdeutlichung der Spannungsverhältnisse am Energiespeicherkondensator und an der Ausgangsseite des Steuergeräts bzw. zwischen den dort dargestellten Punkten UA1 und UA2 im Leerlaufzustand sind in Fig. 6a zwei Pulsperioden mit jeweils einer Zeitdauer von 1 Sekunde dargestellt. Nachdem zum Zeitpunkt A1 der steuerbare Schalter des Steuergeräts geschlossen worden ist, wird der Energiespeicherkondensator bis zum Zeitpunkt E1 entladen, wodurch die an diesen angelegte Spannung UC unter die Zwischenkreisspannung auf eine Spannung UCa sinkt. Nach Öffnen des steuerbaren Schalters bei E1 nach einem Pulszeitintervall von ungefähr 20 µ-Sekunden wird der Energiespeicherkondensator C wieder aufgeladen, bis an diesem wieder die Zwischenkreisspannung UCZ anliegt. Entsprechendes gilt in der zweiten Pulsperiode nach ungefähr 1 Sekunde an den Punkten A2 und E2. Betrachtet man nun den Spannungsverlauf an der Ausgangsseite des Steuergeräts, so steigt die Ausgangsspannung beim Einschalten des Schalters S zum Zeitpunkt A1 steil bis auf eine Spannung Uamin an, wobei die Anstiegsgeschwindigkeit im wesentlichen von den Reaktanzen im Transformator- und Zaunkreis und der Magnetisierungskennlinie des Eisenkerns sowie der Ansteuerung des Schalters S abhängt.

Nach Ausschalten von S zum Zeitpunkt E1 fällt die Spannung im Ausgangskreis unter Abbau des zwischen A1 bis E1 aufgebauten Magnetfelds im Transformator wieder ab.

Im Lastfall 1 (Fig. 6b) ist eine endliche, mittlere Last am Zaun vorhanden. Die Regelspannung Uamin wird noch erreicht, jedoch erst zu einem späteren Zeitpunkt. Der Ladekondensator wird stärker entladen (bis auf eine Spannung UCb) als im Leerlauffall.

Im Lastfall 3 (Fig. 6c) ist eine hohe Last mit niedriger Impedanz im Ausgangskreis vorhanden. Uamin wird nicht mehr erreicht, der Kondensator wird praktisch vollständig entladen (bis auf eine Spannung UCc), das Gerät gibt an die Zaunlast die maximale Energie ab.

Die Erfassung des ausgangsseitigen Spannungsanstiegs durch eine entsprechende Einrichtung kann also zur Anpassung der abgegebenen Energie an die ausgangsseitige Last dienen.

Es ist aber auch denkbar, durch Auswerten des primärseitigen Strom- oder/und Spannungsverlaufs auf den Lastzustand zu schließen. Die Einrichtung zum Erfassen der ausgangsseitigen Spannung kann dabei auf dem Prinzip der Stromrückkopplung oder der Spannungsrückkopplung beruhen. Bei der Stromrückkopplung wird beispielsweise ein Widerstand mit bekanntem Wert in dem Primärkreis des Steuergeräts angeordnet und die an diesem anliegende Spannung gemessen. Daraus kann die Stromstärke berechnet werden und somit auf die effektive Impedanz an der Ausgangsseite des Steuergeräts geschlossen werden. Aufgrund dieser Messung der ausgangsseitigen Last kann das für den unbelasteten Zustand vorbestimmte Pulszeitintervall tP derart eingestellt bzw. verlängert werden, daß eine bestimmte Proportionalität zwischen Pulszeitintervall und Last erfüllt ist oder daß die Ausgangsspannung den Wert Uamin erreicht. Das bedeutet, die Steuerlogik ST verlängert den eingeschalteten bzw. geschlossenen Zustand des steuerbaren Schalters S als Reaktion auf den veränderten Lastzustand, wie im Beispiel gezeigt ist, von 20 µ-Sekunden im unbelasteten Zustand auf ungefähr 200 µ-Sekunden im belasteten Zustand.

Ein Vorteil des dargestellten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Elektrozauns, der zum Hüten von Tieren verwendet wird, besteht darin, daß während der Tierberührung der elektrische Lastzustand an der Ausgangsseite des Zauns erfaßt wird und die Pulsdauer unmittelbar ohne Totzeit angepaßt wird, wodurch eine der Last proportionale Energieerhöhung erfolgt. Dies steht somit im Gegensatz zum Stand der Technik, bei der bestenfalls ein zum ersten Puls zeitnaher zweiter Puls als Reaktion auf eine Laständerung erzeugt werden kann. Aufgrund der im Stand der Technik nicht willkürlich wählbaren Pulsperiode sind für dieses Verfahren außerdem ein aufwendiger zweiter Zauntransformatorkreis und spezielle Steuerelemente notwendig.

Die im Stand der Technik ebenfalls angewandte Regelung der Ladespannung des Speicherkondensators proportional zur erfaßten Last hat gegenüber dem hier beschriebenen Verfahren den Nachteil, daß die Ausgangsspannung im Leerlauf entsprechend absinkt, so daß die Schockwirkung beim ersten Puls dementsprechend vermindert ist. Da eine maximale Ausgangsspannung nicht überschritten werden darf, ist diese Art der Regelung darüber hinaus in ihrer Dynamik stark begrenzt, da sonst bei einem Lastwechsel von maximal zu Leerlauf unzulässig hohe Spannungen am Zaun auftreten können. In Anbetracht dessen ist das erfindungsgemäße Verfahren mit einem wesentlich größeren physiologischen Lernreiz für das Tier verbunden, da das Tier bei Zaunberührung unmittelbar einen Abschreckungseffekt erfährt.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept bietet ferner den Vorteil einer wirksamen unmittelbaren Begrenzung der Ausgangsspannung, indem die Ausgangsspannung als einzustellende Größe verwendet wird. Dies entspricht bei regelungstechnischen Vorgängen einer Ausgangsspannung als Regelgröße. Bei Erreichen einer vorher bestimmten Spannung wird dabei der steuerbare Schalter abgeschaltet, die Spannung steigt nicht weiter an. Dadurch sind in der Dimensionierung des magnetischen Kreises wesentlich mehr Freiheiten als im Stand der Technik gegeben. Die Erfindung erlaubt auch eine geregelte Begrenzung des maximalen Stroms im Ausgangskreis. Dadurch ist es möglich, den bei Kurzschluss fließenden Strom mit einer genau definierten Schwelle wirksam zu begrenzen und damit Gefahren für Mensch und Tier zu vermindern, die beispielsweise bei Berührung des Zauns bei extrem gut leitender Verbindung zu Erde auftreten können.

Außer einer Regelung mit Rückführung einer Regelgröße aus dem Ausgangskreis ist es auch möglich, die Ausgangsenergie ausschließlich entsprechend einem vorgewählten Impulsenergieinhalt zu steuern. Dies wird dadurch erreicht, daß der Schalter S nach Entnahme einer durch Messung der Ladespannung des Ladekondensators bestimmten Energie abgeschaltet wird.

Darüber hinaus lassen sich mit der vorgeschlagenen Schaltung durch die Verwendung eines analog steuerbaren Schaltgliedes auch frei definierbare Ein- und Ausschaltflanken erzielen. Die Funkentstörung des Gerätes wird damit problemlos möglich, teure und schwer dimensionierbare Funkentstörkomponenten können entfallen.

Zweite Ausführungsform

Im folgenden soll nun eine Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, die in einem erfindungsgemäßen Steuergerät verwendet wird, gemäß einer zweiten Ausführungsform anhand von Fig. 7 erläutert werden.

Das Erzeugen einer Pulsperiode tG bezüglich der Spannung an einer Ausgangsseite der in dem erfindungsgemäßen Steuergerät verwendeten Schaltung zum Erzeugen von Hochspannungsimpulsen, wobei die Pulsperiode tG ein Pulszeitintervall tP und einem darauf folgenden Zwischenpulsintervall tZ hat, geschieht analog zu der Schaltung gemäß der ersten Ausführungsform.

Das charakteristische Merkmal der zweiten Ausführungsform ist, daß parallel zu dem Stromversorgungskreis, der aus der Stromversorgungsquelle Ub und dem Gleichstromwandler DC/DC besteht, ein Energierückgewinnungskreis geschaltet ist. Der Energierückgewinnungskreis besteht dabei aus einer Spule L3, die in dem Hochspannungstransformator TR1 beispielsweise als zusätzliche Wicklung einer der Spulen L1 bzw. L2 oder als separate Spule ausgeführt ist, und einer Gleichrichtung D3, wobei diese beiden Elemente mit der Stromversorgungsquelle verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich einen Teil der in dem Hochspannungstransformator TR1 gespeicherten Energie wieder in den Stromversorgungskreis zurückzuspeisen, wodurch eine Energieeinsparung erreicht wird.

Dritte Ausführungsform

Sollen mehrerer Hochspannungsimpulse parallel erzeugt werden, kann gemäß einer dritten Ausführungs das Steuergerät eine Vielzahl von Hochspannungstransformatoren TR1, TR2, TR3 aufweisen, aufweisen, deren Primärkreise mit einem gemeinsamen Energiespeicherkondensator C verbunden sind, wobei jeder Primärkreis einen jeweiligen steuerbaren Schalter S1, S2, S3 aufweist. Dabei wird der Energiespeicherkondensator C von dem Gleichspannungswandler DC/DC aufgeladen, der wiederum mit der Stromversorgungsquelle Ub verbunden ist.

Sicherheitseinrichtungen

Neben einem normalen Betrieb eines Elektrozauns, der den Leerlaufzustand und einen kurzzeitig belasteten Zustand, bei dem ein Tier kurzzeitig den Zaun berührt und aufgrund des dadurch erhaltenen Stromschlag quasi unmittelbar wieder davon zurückweicht, gibt es auch Situationen, bei denen besondere Vorkehrungen zum Schutz des zu hütenden Tieres bzw. bestimmter Komponenten des Steuergeräts getroffen werden sollten.

Zum Betreiben eines Elektrozauns wird das erfindungsgemäße Steuergerät derart installiert, daß ein Ausgangsanschluß UA1 des Transformators TR1, der beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist, mit der Erde und der andere Ausgangsanschluß UA2 mit einem zur Erde isolierten Leiter, d. h. dem eigentlichen Elektrozaun verbunden ist.

Im Falle eines ausgangsseitigen Kurzschlusses, d. h. wenn ein leitender Körper eine Verbindung vom Zaun zur Erde herstellt, fließt in der Sekundärspule L2 des Transformators TR1 ein Strom. Dadurch wird auch der Strom in der Primärspule L1 größer. Zum Schutz des steuerbaren Schalters S ist es deshalb vorteilhaft eine Einrichtung zur Strombegrenzung vorzusehen, die bei Erreichen eines kritischen Maximalstroms im Primärkreis bzw. Zwischenkreis den steuerbaren Schalter öffnet. Dadurch wird sowohl der Ausgangsstrom begrenzt, als auch der steuerbare Schalter geschützt.

Berührt ein Tier den unter Spannung stehenden Elektrozaun, so wird nach Durchschlag der isolierenden Hautschicht des Tieres ein niederohmiger Leitungskanal erzeugt der auch bei einer nicht allzu hohen Ausgangsspannung des Elektrozauns einen für das jeweilige Tier nicht unerheblichen Strom erzeugt, der vom Elektrozaun über das Tier zur Erde fließt. Bleibt der Kontakt des Tieres mit dem Zaun über längere Zeit bestehen, weil sich das Tier beispielsweise im Zaun verheddert hat, so steigt aufgrund der lastabhängigen Verlängerung des Pulszeitintervalls die Ausgangsspannung und damit auch der Strom auf physiologisch gefährliche Werte für das Tier an. Neben der Einrichtung zur Strombegrenzung ist es deshalb ferner vorteilhaft, eine intelligente Abschaltungseinrichtung vorzusehen, die nach einer vorbestimmten Zeit, während der das Tier mit einer kritischen Stromstärke beaufschlagt wird, die Impulsenergie für eine bestimmte Zeit auf minimale Werte reduziert oder ganz abgeschaltet wird. Dadurch wird für das unter Schock stehende Tier eine Pause geschaffen, in der es sich wieder erholen und sich von dem Zaun entfernen kann. In dem Fall, daß sich das Tier von dem Zaun befreien konnte, wird der normale Leerlaufbetrieb fortgesetzt, andernfalls wird der Betrieb des Steuergeräts unter Auslösen einer Alarmeinrichtung unterbrochen.

Offenbart ist ein Steuergerät, insbesondere zum Betreiben eines Elektrozauns mit einem Energiespeicherkondensator, einem steuerbaren Schalter zum Steuern der Entladezeit des Energiespeicherkondensators und einer Steuerschaltung, die mit dem steuerbaren Schalter verbunden ist. Das Steuergerät weist ferner eine Erfassungseinrichtung, die Informationen über eine elektrische Last an einer Ausgangsseite des Steuergeräts an die Steuerschaltung überträgt, auf. Vorteilhafterweise weist das Steuergerät ferner einen Transformator mit einer Primärspule, die Teil eines Primärkreises ist, und einer Sekundärspule, die Teil eines Sekundärkreises ist, der die Ausgangsseite des Steuergeräts darstellt, auf. Dabei sind neben der Primärspule ebenso der Energiespeicherkondensator und der steuerbare Schalter in dem Primärkreis integriert. Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Elektrozaungeräts wird zuerst eine Pulsperiode bezüglich der Spannung an einer Ausgangsseite des Elektrozaungeräts mit einem Pulszeitintervall, bei dem der steuerbare Schalter geschlossen ist, und einem darauf folgenden Zwischenpulsintervall, bei dem der steuerbare Schalter geöffnet ist, erzeugt, wobei das Pulszeitintervall derart gewählt ist, daß nur ein Bruchteil eines Energiespeicherkondensators des Elektrozaungeräts während des Pulszeitintervalls entladen wird. Aufgrund des von der Erfassungseinrichtung erfaßten elektrischen Lastzustands an der Ausgangsseite des Elektrozaungeräts wird das Pulszeitintervall entsprechend einer vorher bestimmten, auf optimale Dressurwirkung und minimale Gefährdung optimierten Kennlinie automatisch angepaßt. Bezugszeichenliste A1, A2, A3 Anfangszeitpunkte: Schalter wird geschlossen

C Energiespeicherkondensator

CA Zaunkapazität

D1 Freilaufdiode

D2 Gleichrichtung

D3 Gleichrichtung

DC/DC Gleichspannungswandler

E1, E2, E3 Endzeitpunkte: Schalter wird geöffnet

L1 Primärspule

L2 Sekundärspule

S steuerbarer Schalter

ST Steuerlogik

TR1 Transformator

TRi Vielzahl von Transformatoren

tG Pulsperiode

tP Pulszeitintervall

tZ Zwischenpulsintervall

Uamin minimale Ausgangsspannung

UA Ausgangsspannung

UA1, UA2 ausgangsseitige Spannungsabgriffspunkte

Ub niedrige Gleichspannung, Batteriespannung

UCZ Zwischenkreisspannung

CC Spannung am Kondensator

UCa, UCb, UCc Spannung am Kondensator nach Entladung

V1 Freilaufdiode

ZL ausgangsseitige Last


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Betreiben eines Elektrozaungeräts, mit den Schritten:

    Erzeugen einer Pulsperiode (tG) bezüglich der Spannung an einer Ausgangsseite des Elektrozaungeräts mit einem Pulszeitintervall (tP) und einem darauf folgenden Zwischenpulsintervall (tZ), wobei das Pulszeitintervall (tP) derart gewählt ist, daß nur ein Bruchteil eines Energiespeicherkondensators (C) des Elektrozaungeräts während des Pulszeitintervalls (tP) entladen wird;

    Erfassen eines elektrischen Lastzustands an der Ausgangsseite des Elektrozaungeräts;

    Einstellen des Pulszeitintervalls (tP) auf der Grundlage der erfaßten Last.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erfassen des Lastzustands und der Schritt des Einstellens des Pulszeitintervalls (tP) in einer geschlossenen Regelschleife ohne Totzeit erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen weiteren Schritt:

    Ausgleichen der dem Energiespeicherkondensators (C) entnommenen Ladungsmenge mittels eines Gleichspannungswandlers (DC/DC).
  4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einstellens des Pulszeitintervalls (tP) zusätzlich auf der Grundlage einer vorbestimmten minimalen Ausgangsspannung (UAmin) des Elektrozaungeräts durchgeführt wird, wobei sich das Pulszeitintervall (tP) aus der zum Erreichen dieser Ausgangsspannung notwendingen Zeit ergibt.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren Schritt:

    Vorsehen einer Gleichrichtung (D2) an der Ausgangsseite des Elektrozauns.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlauf, d. h. bei unendlicher ausgangsseitiger Last, die Pulsperiode (tG) ungefähr 1 Sekunde und das Pulszeitintervall (tP) ungefähr 20 bis 1000 µ-Sekunden beträgt.
  7. 7. Steuergerät, insbesondere zum Betreiben eines Elektrozauns, mit:

    einem Energiespeicherkondensator (C);

    einem steuerbaren Schalter (S) zum Steuern der Entladezeit tP des Energiespeicherkondensators (C);

    einer Steuerschaltung (ST), die mit dem steuerbaren Schalter (S) verbunden ist;

    einer Erfassungseinrichtung, die Informationen über eine eletrische Last an einer Ausgangsseite des Steuergeräts an die Steuerschaltung überträgt, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Steuerschaltung den steuerbaren Schalter (S) derart steuert, daß die Entladezeit (tP) an die erfaßte Last angepaßt ist.
  8. 8. Steuergerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät ferner aufweist:

    einen Hochspannungstransformator (TR1) mit einer Primärspule (L1), die Teil eines Primärkreises ist, und einer Sekundärspule (L2), die Teil eines Sekundärkreises, der die Ausgangsseite des Steuergeräts darstellt, ist,

    wobei neben der Primärspule (L1) ebenso der Energiespeicherkondensator (C) und der steuerbare Schalter in dem Primärkreis integriert sind.
  9. 9. Steuergerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät einen Stromversorgungskreis zum Aufladen des Energiespeicherkondensator (C) hat, wobei der Stromversorgungskreis eine Spannungsquelle (Ub) und einen Gleichspannungswandler (DC/DC) aufweist.
  10. 10. Steuergerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Spule L1 eine Freilaufdiode D1 geschaltet ist, welche beim Abbau des magnetischen Energieinhalts der Spule L1 das Auftreten unkontrollierter Spannungsspitzen verhindert und eine weitgehende Abgabe der gespeicherten Energie an den Sekundärkreis erlaubt.
  11. 11. Steuergerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Spule (L1) eine weitere Spule (L3) angeordnet ist, durch die ein Teil des magnetischen Energieinhalts des Hochspannungstransformators (TR1) wieder in den Stromversorgungskreis rückführbar ist.
  12. 12. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichrichtung (D2) an der Ausgangsseite des Steuergeräts vorgesehen ist.
  13. 13. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät eine Vielzahl von Hochspannungstransformatoren aufweist, deren Primärkreise parallel geschaltet und mit dem Energiespeicherkondensator (C) verbunden sind, wobei jeder Primärkreis einen jeweiligen steuerbaren Schalter aufweist.
  14. 14. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter ein IGBT ist.
  15. 15. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicherkondensator (C) ein Folien- oder Elektrolytkondensator ist.
  16. 16. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung den steuerbaren Schalter (S) derart steuert, daß eine Pulsperiode (tG) erzeugt wird, innerhalb der mehrere Pulszeitintervalle (tP) in einem Abstand von 50 bis 10000 µ-Sekunden folgen.
  17. 17. Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Impulsdauer einstellbar ist.
  18. 18. Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Impulsenergie einstellbar ist.
  19. 19. Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ab einer einstellbaren Zahl von Impulsen bestimmter maximaler Energie das Gerät zeitweilig oder vollständig abgeschaltet oder zeitweilig oder vollständig trotz weiter im Sekundärkreis bestehender Last auf geringere Impulsenergie umgeschaltet wird.






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