Elektrische Einrichtung mit einer wiederaufladbaren Batterie und einem tragbaren Gleichstromgerät Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Elektro geräte und betrifft insbesondere eine Einrichtung zum Betreiben von tragbaren Elektrogeräten entweder von einer dem Gerät zugeordneten Eigenstromquelle aus oder z. B. über das Stadtnetz oder eine andere Sammel-Stromanlage. Die Erfindung bezieht sich in erster Linie auf Elektrogeräte, wie Elektrorasierer, Staubsauger, Lötkolben, Hand-Werkzeuggeräte usw., bei denen z.
B. der uneingeschränkte Betrieb und die Tragbarkeit durch den Benutzer des Geräts bisher typischerweise durch die Notwendigkeit des Vorhan denseins einer zu einer elektrischen Stromquelle füh renden Anschlussleitung verhindert wurden.
Zur Vermeidung dieser Nachteile schafft die Er findung eine elektrische Einrichtung mit einer wie- deraufladbaren Batterie und einem an diese an- schliessbaren tragbaren elektrischen Gleichstromgerät und ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum wahlweisen Verbinden: a) des Geräts mit der Batterie, um das Gerät mit deren Hilfe betreiben zu können, b) des Geräts mit Klemmen für eine andere Gleichstromquelle, um das Gerät mit deren Hilfe be treiben zu können, c) der Batterie mit Klemmen für eine weitere Gleichstromquelle, um die Batterie aus dieser wieder aufzuladen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrich tung, mit deren Hilfe ein elektrisches Gerät nach einer beliebigen von zwei an sich möglichen Betriebs arten betrieben werden kann. Im ersten Fall wird das elektrische Gerät durch seinen ihm zugeordneten Batteriesatz gespeist, während es im zweiten Fall z. B. über eine Anschlussleitung vom Netz bzw. einer stationären Stromquelle aus mit Gleichstrom betrie ben wird. Da die stationäre Stromquelle zweckmässig ein elektrischer Netzanschluss mit Wechselstrom ist, sind bei gewissen Ausführungsformen der Erfindung Mittel zum Gleichrichten des Wechselstroms vorge sehen.
Auf Grund dieser beiden zur Verfügung ste henden Betriebsarten bleibt das elektrische Gerät je derzeit für den vorgesehenen Zweck brauchbar, und zwar selbst dann, wenn sich der dem Gerät zugeord nete Batteriesatz bereits unter den für einen wirk samen Betrieb erforderlichen Schwellwert entladen hat.
Da zum Aufladen ein niedriger, sogenannter Kriechstrom erforderlich ist, benötigen die zurzeit bekannten und für die Verwendung in tragbaren Ge räten zur Verfügung stehenden Batteriesätze im all gemeinen eine im Verhältnis zu derjenigen Zeit spanne, während welcher der Batteriesatz während der Verwendung als Kraftquelle für den Betrieb des Geräts die gleiche Menge an elektrischer Energie ab gibt, wesentlich längere Aufladezeit. Aus diesem Grund sind bei einer Weiterausbildung der Erfindung ausserdem Mittel vorgesehen, um zwei verschiedene Aufnahmegeschwindigkeiten von Gleichstrom aus der stationären Stromquelle zu gewährleisten,
und zwar einmal eine niedrige Stromaufnahme in der Grössenordnung von einigen Zehntel mA zum Wie deraufladen des Batteriesatzes, und zum anderen eine verhältnismässig hohe Stromaufnahme von meh reren Ampere zum unmittelbaren Betreiben des Elektrogeräts selbst. Das Gerät kann sich somit in einem der folgenden Aktivzustände befinden: 1. Betrieb des Geräts mittels der ihm zugeordne ten Batterien.
z. Betrieb des Geräts durch Speisung aus einer äusseren Stromquelle.
3. Ruhezustand des Geräts bei gleichzeitiger Ruf ladung seiner Batterien. In den beiden letztgenannten Zuständen ist eine Verbindung zwischen dem Gerät und einer Fremd stromquelle erforderlich.
Die Erfindung ermöglicht, dass, mit Ausnahme eines zur Bestimmung der Stromaufnahmemenge die nenden Glieds, sowohl zum Betrieb des Geräts über eine Fremdstromquelle als auch zum Aufladen der Batterien stets die gleiche Schaltungsanordnung ver wendet werden kann. Weiterhin kann vorteilhaft die die Anschlussschnur und den Batteriesatz umfassende elektrische Ausrüstung leicht zu einer Einheit zu sammengestellt und dem Benutzer als Zusatzgerät verkauft werden.
Die Erfindung ist speziell auf elektrische Geräte der beschriebenen Art anwendbar, wobei es sich hier um Geräte mit geringer Grösse und niedrigem Ge wicht, Transportierbarkeit, Beweglichkeit, kurzzeiti gem sowie längerem Betrieb und verhältnismässig hoher Wirksamkeit handelt. Die Erfindung sei nunmehr anhand der Zeich nungen beispielsweise erläutert.
Es zeigen: Fig. 1A ein Blockschaltbild der elektrischen Aus rüstung einer Vorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung für den Fall der ersten Betriebsart, bei welcher das Elektrogerät mit Hilfe des ihm zugeord neten Batteriesatzes betrieben wird, Fig. 1B ein Blockschaltbild der elektrischen Aus rüstung dieser Vorrichtung für den Fall, dass ihr Bat teriesatz von einer elektrischen Fremdstromquelle aus aufgeladen wird, Fig. 1 C ein Blockschaltbild der elektrischen Aus rüstung der Vorrichtung für den Fall der zweiten Be triebsart,
bei welcher das Elektrogerät unmittelbar von einer Fremdstromquelle gespeist wird, Fig. 2A eine dem Blockschaltbild gemäss Fig. 1A entsprechende elektrische Schaltung für den Fall der ersten Betriebsart, Fig.2B eine dem Blockschaltbild gemäss Fig. 1B entsprechende elektrische Schaltung, Fig. 2C eine dem Blockschaltbild gemäss Fig. 1C entsprechende elektrische Schaltung für den Fall der zweiten Betriebsart,
Fig.3 eine bildliche Darstellung einer beispiel haften Ausführungsform der Erfindung in Form eines elektrischen Rasierapparats, bei welcher das Gerät nach der ersten Betriebsart arbeitet, Fig.4 eine bildliche Darstellung der Ausfüh rungsform der Erfindung gemäss Fig. 3, bei welcher die Batterien der Vorrichtung nachgeladen werden, Fig. 5 eine teilweise im Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4 dargestellte Detailansicht gewisser elek trischer Anschlüsse dieser Ausführungsform der Er findung,
und Fig. 6 eine bildliche Darstellung der Ausfüh rungsform der Erfindung gemäss Fig. 3, bei welcher das nach der zweiten Betriebsart arbeitende Gerät mit Netzstrom gespeist wird.
In Fig. 1A ist eine auf die erste Betriebsart ge schaltete Vorrichtung 30 dargestellt, die aus der Kombination eines Arbeits- bzw. Gebrauchsgeräts 10, beispielsweise eines Elektrorasierers, Staubsaugers, Lötkolbens, einer elektrischen Bohrmaschine oder dgl., mit einem Batteriesatz 20 besteht, welcher das Gerät 10 über eine Leitung 25 mit Gleichstrom speist. Die Kombination ist als Ganzes in einem Behälter untergebracht, der gemäss der vorgesehenen Funk tion und Arbeitsweise des Elektrogeräts ausgebildet ist. Der Batteriesatz 20 kann aus einer Reihen- oder Parallelanordnung wiederaufladbarer Batteriezellen bestehen.
Eine für den beschriebenen Zweck beson ders geeignete Batteriezellenart ist ein geschlossener Nickel-Cadmium-Akkumulator, da derartige Samm ler viele Male wieder aufgeladen werden können und somit eine lange Betriebslebensdauer gewährleisten, die durch langes Stehenlassen weder in geladenem noch ungeladenem Zustand nachteilig beeinflusst werden.
Elektrogeräte der vorstehend genannten Art ent nehmen ihrer zugeordneten Batterie eine verhältnis- mässig hohe Stromstärke und sind im allgemeinen so konstruiert, dass sie von dieser Stromquelle aus ma ximal etwa eine Stunde lang betrieben werden kön nen. Zur einwandfreien Aufladung des Batteriesatzes 20 ist ein Ladestrom erforderlich, der wesentlich ge ringer ist als der vom Arbeitsgerät 10 aufgenommene Entladestrom. Dieser niedrige bzw. Kriech -Lade- strom muss daher über verhältnismässig lange Zeit spannen von typischerweise mehreren Stunden an die Batteriezellen angelegt werden.
In Fig. 1B ist das Nachladen des Batteriesatzes 20 mit von einer äusseren Netz-Wechselstromquelle 50 entnommener elektrischer Energie veranschau licht, nachdem der Wechselstrom zuerst durch einen Gleichrichter 40 in Gleichstrom umgewandelt wurde. Das Glied 60 ist eine blockschaltbildliche Darstellung einer Einrichtung zum Gleichrichten und Begrenzen des über die Leitung 65 dem Batteriesatz 20 zuge führten Ladestroms. Es ist zu beachten, dass in die sem Zustand keine elektrische Verbindung zwischen dem Batteriesatz 20 und dem Arbeitsgerät 10 der Kombination 30 besteht.
In Fig. 1C ist die Arbeitsweise der Kombination 30 im Fall der zweiten Betriebsart dargestellt, bei welcher das Arbeitsgerät 10 von der Netz-Wechsel- stromquelle 50 aus gespeist wird, nachdem der Wech selstrom durch den Gleichrichter 40 in Gleichstrom umgewandelt worden ist. Das Glied 80 ist eine block schaltbildliche Darstellung eines Ausgangs des Gleichrichters 40, der dem Gerät 10 über die Lei tung 85 einen Arbeitsstrom grosser Stromstärke zur Verfügung stellt. Bei dieser Betriebsart der Anord nung besteht keine elektrische Verbindung zwischen dem Batteriesatz 20 und dem Gerät 10.
Die elek trische Trennung des Batteriesatzes 20 vom Arbeits gerät 10 in den in den Fig. 1B bzw. 1C dargestellten Betriebszuständen ist notwendig wegen des Unter schieds zwischen den jeweiligen Stromstärken, wie sie einmal für die Kriechstrom -Nachladung des Bat teriesatzes und zum anderen Mal für die Speisung des Geräts erforderlich sind, welches im Betrieb eine hohe Stromaufnahme hat.
Die Fig. 2A-2C sind beispielhafte schematische Darstellungen elektrischer Schaltungen zur Gewähr leistung der Ziele der Erfindung.
Fig.2A entspricht dem Blockschaltbild gemäss Fig. 1A und veranschaulicht eine aus einem Batterie satz 20 und einem durch einen Gleichstrommotor 12 angetriebenen Arbeitsgerät 10 bestehende elektrische Kombination 30 für den Fall der ersten Betriebsart. In diesem Fall liegt der Gleichstrommotor 12 über einen in einer Stellung 14a stehenden Schalter 14 am Batteriesatz 20, welcher den Motor 12 mit Gleich strom speist, so dass die Vorrichtung 30 an von ver fügbaren Netzanschlüssen entfernten Stellen und ohne jede Anschlussleitung, welche den Betrieb des Geräts behindern könnte, benutzt werden kann.
Für die vorher beschriebenen, vorgesehenen Anwen dungszwecke ist die Vorrichtung 30 so ausgebildet, dass sie einen zufriedenstellenden Betrieb in dieser Betriebsart erlaubt, um Aufgaben kurzer Dauer von beispielsweise etwa 30 min bis zu etwa 1 Stunde durchführen zu können. Wegen der verhältnismässig hohen Stromaufnahme des Geräts 10, die in der Grössenordnung von einem oder mehreren Ampere liegen kann, würde ein längerer Betrieb eine entspre chende Erhöhung der Speicherfähigkeit der Batterien erforderlich machen. Zu diesem Zweck wären wie derum mehrere grössere und schwerere Batteriezel len erforderlich, welche die Grösse der die Vorrich tung aufnehmenden Packung wesentlich erhöhen würden.
Da elektrische Vorrichtungen der genannten Art im Idealfall niedriges Gewicht besitzen und leicht handhabbar sein sollten, ist für jede spezielle Vor richtung eine optimale konstruktive Kombination be züglich der Grösse des Batteriesatzes und der ge wünschten Betriebsdauer des Geräts in der ersten Betriebsart, d. h. durch Speisung von den Batterien aus, massgeblich. Wenn das Gerät über die ge wünschte Zeitspanne hinweg mit Hilfe der Batterien 20 in der ersten Betriebsart betrieben worden ist, ist für das weitere Arbeiten nach dieser Betriebsart zu vor das Nachladen der Batteriezellen notwendig.
Fig. 2B zeigt die elektrische Schaltung der Vor richtung zum Wiederaufladen des Batteriesatzes 20 aus einer äusseren Wechselstromquelle 50. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Netz-Wech- selstrom mit Hilfe eines aus einem Transformator 42 mit Mittelanzapfung und zwei in Brückenschaltung angeordneten Dioden 44 und 46 bestehenden Voll- weggleichrichters 40 gleichgerichtet. Selbstverständ lich können auch andere Gleichrichterschaltungen ohne weiteres für diesen Zweck verwendet werden.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Gleich richter 40 und der Vorrichtung 30 zwecks Nach ladung von deren Batteriesatz 20 erfolgt über ein zwischen die Anschlussklemmen 110a und 100b bzw. 110d und 100c eingeschaltetes zweiadriges Kabel 65. Bei in Stellung 14b stehendem Schalter 14 ist der Batterie-Aufladekreis geschlossen und ist der Motor 12 vom Batteriesatz 20 getrennt, da das Gerät 10 nicht an Spannung liegt, solange sich die Vorrich tung im Aufladezustand befindet.
In diesem Auf ladezustand wird ein Strombegrenzerglied, beispiels weise ein entsprechend dimensionierter Widerstand 48, in den Aufladekreis eingeschaltet, um den Lade gleichstrom auf einen niedrigen Wert in der Grössen- ordnung von einigen Zehnteln mA zu reduzieren.
Wegen der Notwendigkeit für eine langsame bzw. Kriechstrom -Aufladung des Batteriesatzes 20 ist im Verhältnis zur Betriebszeit des Geräts von etwa einer halben Stunde, während welcher dieses vom Batterie satz aus gespeist werden kann, eine lange Zeitspanne erforderlich, um die Batterien wieder voll aufzuladen. Diese Aufladezeit kann beispielsweise zehn- bis hun dertmal so lang sein wie die Entladezeit, so dass für die vorher erwähnten Nickel-Cadmium-Sammler eine Ladezeit von 12 bis 24 Stunden benötigt wird.
Aus diesem Grund kann das Gerät 10 während dieser Zeitspanne, während welcher die Aufladung erfolgt, nicht ohne weiteres mit Hilfe der Batterie-Stromver- sorgung betrieben werden. Bei herkömmlichen Vor richtungen dieser Art würde dieser Umstand den Ausfall der Vorrichtung für die Dauer des Auflade- vorgangs zur Folge haben. Falls jedoch der Benutzer der Vorrichtung das Gerät 10 in Betrieb nehmen möchte, bevor der Batteriesatz 20 Zeit hatte, voll ständig aufgeladen zu werden, kann die Vorrichtung auf den Betrieb nach der zweiten Betriebsart umge schaltet werden.
Fig. 2C entspricht dem die Vorrichtung in ihrer zweiten Betriebsart veranschaulichenden Blockschalt bild gemäss Fig.1 C und ist ein Schaltbild einer für die sen Zweck zufriedenstellenden Schaltung. Wie aus Fig. 2C ersichtlich ist, kann dieselbe Gleichrichteranord- nung wie im Fall der Schaltung gemäss Fig. 2B ohne Änderung auch für den Betrieb des Elektrogeräts 10 durch die Netz-Wechselstromquelle 50 verwendet werden.
Der aus dem Transformator 42 und den Dioden 44 und 46 bestehende Vollweggleichrichter 40 ver sorgt die Anschlussklemmen 110a und 110b mit Gleichstrom, der über eine Leitung 85, typischer weise ein zweiadriges Kabel, den Anschlussklemmen 100a und 100c der Vorrichtung 30 zugeführt wird. Bei in Stellung 14b stehendem Schalter 14 liegt das den Motor 12 aufweisende Arbeitsgerät 10 über der Gleichrichter-Stromquelle, während der Batteriesatz 20 von diesem Stromkreis getrennt ist.
Da das Strom begrenzer-Widerstandsglied 48 bei dieser Betriebsart nicht zwischen den Gleichrichter 40 und die Vorrich tung 30 eingeschaltet ist, vermag das Arbeitsgerät 10 die für den zufriedenstellenden Betrieb erforderliche hohe Strommenge aufzunehmen. Es ist zu beachten, dass der Schalter 14 der Vorrichtung 30 in dieser Be triebsart einen doppelten Zweck erfüllt, d. h. neben dem Schliessen der Verbindung zwischen dem Ar beitsgerät 10 und der stationären Stromquelle trennt er ausserdem den Batteriesatz 20 von dem an Span nung liegenden Stromkreis und verhindert hierdurch einen andernfalls vorhandenen hohen Ladungsstrom fluss zum Batteriesatz, welcher nachteilige Folgen für die Batterien haben würde.
In Fig. 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform der elektrischen Vorrichtung 30 gemäss den Fig. 1 und 2 in Form eines elektrischen Rasierapparats dar gestellt. Diese bildliche Darstellung eines speziellen Ausführungsbeispiels dient zur Erläuterung derArt und Weise, auf welche die Erfindung ohne weiteres auf andere elektrische Vorrichtungen derselben allgemei nen Art, wie Handbohrmaschinen, Staubsauger usw., angewandt werden kann. Fig. 3,
gemäss welcher der Elektrorasierer durch seinen ihm zugeordneten Bat teriesatz gespeist wird, veranschaulicht die elektrische Vorrichtung in der ersten, im wesentlichen den Fig. 1A und 2A entsprechenden Betriebsart. Bei, wie dar gestellt, in Stellung 14a stehendem Schalter 14 liefert der Batteriesatz 20 (Fig. 2A), der zusammen mit dem Gleichstrommotor 12 (Fig. 2A) in das Gehäuse 150 des Rasierapparats eingebaut ist, die elektrische An triebsenergie für zwei umlaufende Scherköpfe 120 und 122.
Fig. 4 veranschaulicht den elektrischen Rasier apparat mit seinem Batteriesatz während des Ruf ladens über einen Gleichrichterkreis, der in ein Ge häuse 140 eingebaut ist und über eine mit einem nicht dargestellten Netzanschluss verbundene Lei tungsschnur 160 mit Wechselstrom gespeist wird. So wohl der Rasierapparat als auch sein Gleichrichter sind in einer gedrängt zusammengebauten Anordnung in einem Gehäuse 170 angeordnet.
Wenn der Bat teriesatz wieder aufgeladen werden soll, wird der Schalter 14 in die Stellung 14b umgelegt, wobei die Anschlussklemmen 100b und 100c mit ihren zuge hörigen Gegenstücken, d. h. den Anschlussklemmen 110c und 1lOd des Gleichrichters 40 (Fig.2B) in Verbindung stehen.
Wie am besten aus Fig. 5 ersicht lich ist, werden diese Verbindungen beispielsweise durch Federberührung von in der Bodenfläche 152 des Elektrorasierers vorgesehenen Stiften 100b und 100c mit Gabelgliedern 110c bzw. 110d in der Steck dose 142 des Gleichrichtergehäuses 140 hervorge bracht. Die Anschlussklemme 100a, die während des Rufladens an sich stromlos ist, dient als mechanischer Festleger für die Polung, um die Anschlussklemmen der elektrischen Vorrichtung 30 mit den richtigen Klemmen des Gleichrichters 40 zu verbinden.
Wäh rend des Rufladens des Batteriesatzes liegt der Ra sierapparat räumlich eng am Gleichrichterteil an, so dass die Kombination dicht zusammengedrängt in nerhalb des geschlossenen Gehäuses<B>170</B> angeordnet ist. Der Benutzer kann somit die Vorrichtung zwecks Rufladung der Batterien über Nacht stehen lassen, nachdem er sie über das Kabel 160 an ein elektri sches Netz angeschlossen hat, um das Gerät am näch sten Tag mittels seines zugeordneten Batteriesatzes betreiben zu können.
Fig.6 veranschaulicht den elektrischen Rasier apparat beim Betrieb nach der zweiten Betriebsart, wobei er über die Leitung 85 mit. gleichgerichtetem Strom gespeist wird. Der Gleichrichter ist in diesem Fall wiederum über die Zuleitung 160 mit einem Wechselstromanschluss verbunden. In dieser, im we sentlichen den Fig. 1 C und 2C entsprechenden Be triebsart wird der Elektrorasierer über den Gleich richter unmittelbar durch Netzstrom und nicht von den ihm zugeordneten Batterien gespeist. In dieser zweiten Betriebsart kann das Gerät über längere Zeitspannen hinweg betrieben werden, welche die durch die Speicherfähigkeit des Batteriesatzes 20 er möglichte Betriebsdauer bei weitem übersteigen.
Aus diesem Grund kann der Elektrorasierer in diesem Fall selbst dann für den vorgesehenen Zweck eingesetzt werden, wenn die Batteriezellen bis auf einen unter halb des für einen wirksamen Betrieb erforderlichen Werts liegenden Wert entladen wurden und keine Zeit zur Verfügung steht, um die Batterien nachzu laden. Wie dargestellt, erhält der elektrische Rasier apparat in diesem Fall seine Antriebsenergie über eine zweiadrige Zuleitung 85, welche die Anschluss- klemmen 100a und 100c des Geräts mit den zugehö rigen Anschlüssen 110a und 110b (Fig. 4 und 2C) des im Gehäuse 140 angeordneten Gleichrichterkrei- ses verbindet.
Bei dieser Betriebsart wird der Schalter 14 in seiner Stellung 14b belassen, so dass der Bat teriesatz vom Stromkreis getrennt ist, während der Netzbetrieb des Rasierapparates stattfindet.
Aus der vorstehenden Beschreibung dürfte dem Fachmann die Art und Weise, auf welche sich die Erfindung gleichermassen auf andere Elektrogeräte der allgemein beschriebenen Art anwenden lässt, ohne weiteres ersichtlich sein. Die Erfindung schafft eine Einrichtung, mit deren Hilfe ein elektrisches Gleichstromgerät nach zwei Betriebsarten betrieben werden kann, nämlich einmal unter Verwendung eines ihm zugeordneten Batteriesatzes und zum ande ren von z. B. einem Wechselstromnetz aus.
In den häufig vorkommenden Fällen, in denen der Benutzer des Geräts entweder übersehen hat, den Batteriesatz nachzuladen oder in denen er die Batterien im Ver lauf des Betriebs entleert hat, gewährleistet die Er findung ein Mittel zur unmittelbaren Wiederbenut zung des Geräts, indem dieses auf die zweite Be triebsart umgeschaltet werden kann, statt dass bis zur Beendigung des Rufladens der Batterien gewartet werden muss.
Ausserdem ermöglicht die Erfindung eine Einrichtung zur Gewährleistung der Zufuhr von gleichgerichtetem Strom bestimmter Stärke aus einem Wechselstromnetz, während das Gerät nach der zwei ten Betriebsart betrieben wird, und der Zufuhr von gleichgerichtetem Strom niedrigerer Stromstärke, wenn die Vorrichtung nicht in Betrieb steht und statt dessen ihr Batteriesatz nachgeladen wird, so dass letzterer auf die wirksamste und bequemste Weise und ohne Schädigung der Zellen wieder voll aufge laden werden kann.
Die vorstehend verwendeten Begriffe und Aus drücke sollen lediglich zur Erläuterung der Erfindung dienen und diese in keiner Weise einschränken und den dargestellten und beschriebenen Merkmalen bzw. Teilen gleichwertige Merkmale nicht ausschliessen, da dem Fachmann ersichtlicherweise zahlreiche Ände rungen und Abwandlungen möglich sind, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.