Shunt-Regler können eine Schlüsselrolle in dynamischen Bremssystemen übernehmen, die üblicherweise verwendet werden, um elektrisch betriebene Fahrzeuge abzubremsen.
Der Shunt-Regler ist eine Art von Linearregler, den ein System verwendet, um eine stabile Spannung in einem elektrischen Stromkreis zu erhalten. In einem Linearregler ändert sich der Widerstandswert in Abhängigkeit von der Eingangsspannung. Dadurch entsteht ausgangsseitig eine Konstantspannung. Die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, multipliziert mit dem durch den Linearregler fließenden Strom, ergibt die am Regler anfallende Verlustleistung, die dieser in Form von Wärme an die Umgebung abgibt.
Linearregler werden in den meisten Fällen zwischen der Quelle und den geregelten Lasten angeordnet. Diese werden dann Serienregler genannt. Im Gegensatz dazu liegen Shunt-Regler parallel zur Last.
Shunt-Regler können sehr einfach ausgeführt sein, einige bestehen aus einer einzigen Referenzdiode. Diese werden üblicherweise in Spannungsreferenzschaltungen und DC-Stromversorgungen eingesetzt.
Mit Shunt-Reglern können die Spannungen im Systemen so gesteuert werden, dass das Durchbrennen von Bauelementen verhindert wird.
Wissenswertes über Shunts
Anbieter von Shunt-Reglern sind unter anderem Microchip Technology Inc., Texas Instruments, Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor, NXP Semiconductors und andere.
Neben dynamischen Bremsen gibt es viele weitere Anwendungen für Shunt-Regler, einschließlich:
- Fehlerverstärker
- Unabhängige Quellenschaltungen
- Präzisionsstrombegrenzer
- Präzisionsspannungsreferenzen
- Schaltnetzteile
- Spannungsüberwachung
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Der Tritt auf die Bremse
Beim dynamischen Bremsen wird der elektrische Antriebsmotor des Fahrzeugs als Generator betrieben, um abzubremsen. In einer solchen Anordnung nimmt der Motor keinen Strom mehr auf, sondern erzeugt Strom.
Dabei wird das physikalische Prinzip genutzt, dass sich bestimmte Bauformen von Motoren auch als Generatoren betreiben lassen. Die Drehrichtung des Motors bleibt dabei natürlich unverändert, denn das Auto behält beim Bremsen die grundsätzliche Fahrtrichtung bei. So verwandelt sich beim dynamischen Bremsen die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische Energie. Die eigentliche Bremswirkung entsteht dadurch, dass der als Generator arbeitende Motor mit einem Stromverbraucher belastet wird.
Dieses System bringt mehrere Vorteile mit sich, darunter weniger Verschleiß an den Trommel- oder Scheibenbremsen.
Strom als Überschuss
Allerdings wirft das dynamische Bremsen eine wichtige Frage auf. Was geschieht mit der elektrischen Energie, die vom Motor als Generator erzeugt wird?
Eine Form des dynamischen Bremsens wird als rheostatisches Bremsen bezeichnet. Beim rheostatischen Bremsen von Lokomotiven beispielsweise wird der vom Motor erzeugte Strom in einem elektrischen Widerstand in Wärme umgewandelt. Bei großen Lokomotiven kommen Reihenanordnungen von Widerständen zum Einsatz. Gleichzeitig verhindern große Lüfter eine Überhitzung.
Diese Form des dynamischen Bremsens ist eine relativ kostengünstige Lösung, hat jedoch den Nachteil, dass die vom System erzeugte Energie mehr oder weniger vergeudet wird.
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Energierückgewinnung
Ein weiteres Prinzip ist das regenerative Bremsen, das unter anderem in einigen Hybridautos wie dem Toyota Prius verwendet wird. In regenerativen Systemen wird der Strom zurück in das System geleitet, um die Batterien aufzuladen.
Dies ist der effizienteste Ansatz des dynamischen Bremsens. Ein größerer Teil der produzierten elektrischen Energie wird zum Vortrieb des Fahrzeugs verwendet. Der Nachteil ist, dass ein regenerativ arbeitendes Bremssystem im Vergleich zum rheostatischen Bremsen deutlich teurer ist. Doch trotz dieser zusätzlichen Kosten verwenden Hybridfahrzeuge regeneratives Bremsen als primäres Verzögerungssystem.
Einige Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren nutzen regenerative Systeme zur Versorgung der elektrischen Komponenten im Fahrzeug. Das Mazda i-ELOOP-System umfasst ein regeneratives Bremssystem zum Aufladen von Superkondensatoren, die wiederum Strom für die elektronischen Geräte liefern.
Wärmeentwicklung
In allen Fällen jedoch muss die vom Motor oder Generator erzeugte elektrische Energie in irgendeiner Form verbraucht werden, damit die Bremswirkung eintritt. In regenerativen Systemen wird der Strom zurück in die Batterien geleitet.
Beim rheostatischen Bremsen kann die vom Motor erzeugte Gleichspannung über die eigentliche Versorgungsspannung des Gesamtsystems im Fahrbetrieb hinaus ansteigen. Dies könnte dazu führen, dass an den Motor angeschlossene Komponenten eine Sicherheitsabschaltung auslösen oder durchbrennen. Deshalb muss eine Möglichkeit vorgesehen werden, die nachgelagerten Schaltungen zu schützen.
Eine Lösung ist ein Shunt-Regler, der aus einem Widerstand und einem spannungsgeregelten Schalttransistor besteht. Ein solcher Shunt-Regler führt die elektrische Energie als Wärme ab.
Kürzere Bremswege
Durch die Verwendung von Elektromotoren in einer Vielzahl von Systemen werden dynamische Bremssysteme mit Shunt-Reglern wahrscheinlich sehr weit verbreitet sein.