Schaltungsanordnung für ein mit Wechselspannung betreibbares elektrisches Handgerät, insbesondere einen Trockenrasierapparat, mit einem über einen Gleichrichter gespeisten Gleichstrommotor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für ein mit Wechselspannung betreibbares elektrisches Handgerät, insbesondere einen Trockenrasierapparat, mit einem über einen Gleichrichter gespeisten Gleichstrommotor und mit einem Wahlschalter zum Anschluss an verschiedene Netzspannungen.
Es sind bereits verschiedene Lösungen bekannt, um derartige elektrisch betriebene Handgeräte an verschiedene Netzspannungen, insbesondere an 220 Volt oder 110 Volt, anschliessen zu können: a) Man verwendet einen entsprechenden umschaltbaren Transformator.
b) Man verwendet eine entsprechend dimensionierte Selbstinduktionsspule.
c) Man verwendet ohmsche Widerstände mit einem geeigneten Spannungsabfall.
d) Man verwendet geeignet dimensionierte Kondensatoren.
Keine dieser bekannten Lösungen genügt jedoch optimal denjenigen Anforderungen, welche man an eine elektrische Schaltungsanordnung in kleinen elektrisch betriebenen Handgeräten stellen muss, nämlich kleiner Raumbedarf zur Unterbringung in dem nur kleinen Gerätegehäuse, hinreichend geringe Wärmeentwicklung, wirtschaftlich vertretbare Kosten und Erzielung einer möglichst konstanten Drehzahl des Motors, unabhängig von der Grösse der speisenden Wechselspannung; ausserdem ist es wesentlich, dass der Motor in jedem Falle eine optimale Anlaufkennlinie hat, d. h. nach dem Einschalten der Spannung rasch seine Nenndrehzahl erreicht, ohne beim Start eine überhöhte Klemmenspannung und damit eine unzulässig hohe Drehzahl zu erreichen oder infolge nur langsam ansteigender Klemmenspannung zu langsam anzulaufen.
Ebenso wünschenswert ist es, dass ein elektrisches Handgerät, welches aus Gründen der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit nur auf die beiden gebräuchlichsten Nennwerte der Netzspannungen von 110 V sowie 220 V einstellbar ist, nicht nur innerhalb der allgemeinen Toleranzgrenzen von etwa +10 /o dieser Nennwerte befriedigend und ohne Gefahr einer Beschädigung, sondern auch mit Wechselspannungen betreibbar ist, die erheblich von diesen Nennwerten abweichen. So steht z. B. in Frankreich bisweilen eine Netzspannung von 127 V, als Zwischenphasenspannung eines 220-V-Dreiphasensystems, zur Verfügung, während in Grossbritannien die Nennwechselspannung 240 V beträgt. Auch soll die Funktion des Geräts bei kurzzeitigen Netzspannungsschwankungen gewährleistet sein.
Die bekannten Schaltungsanordnungen erlauben jedoch im allgemeinen keinen einwandfreien Betrieb des Geräts mehr oder erleiden sogar Schäden, wenn die Netzspannungswerte die üblichen Toleranzgrenzen überschreiten.
Ferner erfordern die bekannten Lösungen mit einem Transformator oder einer Selbstinduktionsspule einerseits einen verhältnismässig grossen Raumbedarf und verteuern andererseits erheblich die Herstellungskosten der Geräte.
Die Verwendung von Widerständen ist insbesondere bei kleinen schmalen Gerätegehäusen ebenfalls praktisch nicht anwendbar, da sie bei Betrieb des Geräts mit 220 V etwa 10 Watt zusätzliche Wärmeleistung entwickeln.
Die Verwendung von Kondensatoren zur Verringerung der Motorklemmenspannung auf etwa 110 V beim Betrieb des Geräts mit einer Netzspannung von 220 V hat zwar die Vorteile eines nur geringen Raumbedarfs und geringer Kosten, weist jedoch, wie die Erfahrung zeigte, andere Nachteile auf. Wenn man sowohl beim Betrieb des Geräts mit einer Netzspannung von 220 V als auch mit 110-115 V die gleiche Motordrehzahl erreichen will, was insbesondere für eine gute Rasur wünschenswert ist, dann muss man einen Kondensator mit einer ziemlich kleinen Kapazität in Reihe mit dem Motorläufer schalten. Das hat den schwerwiegenden Nachteil, dass bei Inbetriebsetzung des Geräts praktisch die gesamte Speisespannung am Kondensator abfällt, da die Impedanz des Motors bei Drehzahl 0 oder nur geringer Drehzahl sehr klein ist und praktisch nur durch den ohmschen Widerstand der Wicklung bestimmt wird.
Als Klemmenspannung für den Motor verbleiben im Moment des Anlaufs praktisch nur ungefähr 10010 des Werts der Speisespannung, so dass das Anlaufdrehmoment des Motors sehr gering ist und unter Um ständen, infolge der mechanischen Reibung, insbesondere bei Verschmutzung der Schermesser, nicht ausreicht, um den Motor anlaufen zu lassen. Wenn man andererseits zur Beseitigung dieses Nachteils eine höhere Kapazität des Kondensators wählt, dann kann man zwar ein hinreichendes Anlaufdrehmoment erzielen, jedoch hat dann der Motor die Tendenz, durchzugehen und unzulässig hohe Drehzahlwerte zu erreichen.
Das schadet der Lebensdauer des Geräts, verursacht zu starke Geräusche und hat ausserdem den Nachteil, dass infolge der zu hohen Schnittgeschwindigkeit der Messer die Barthaare in Pulverform zerkleinert werden, was zu einer raschen Verschmutzung und Verstopfung des Schneidkopfes führt.
Selbst dann, wenn man zur Erzielung eines Kompromisses zwischen beiden sich widersprechenden Forderungen einen geeigneten mittleren Kapazitätswert wählt, welcher sowohl ein für den Anlauf hinreichendes Drehmoment garantiert als auch ein Durchgehen des Motors vermeidet, muss man den Nachteil in Kauf nehmen, dass nach dem Einschalten des Geräts sich die Motordrehzahl nur langsam gemäss einer exponentiellen Kennlinie erhöht, so dass die gewünschte Nenndrehzahl häufig erst nach einer Minute oder nach noch längerer Zeit erreicht wird. Das ist selbstverständlich für den Benutzer ausserordentlich ungünstig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass das Gerät, unabhängig von der Wahl der speisenden Netzspannung, stets mit einer praktisch gleichen Nenndrehzahl arbeitet, diese Nenndrehzahl nach dem Einschalten der Spannung möglichst rasch erreicht und die Mittel zur Erzielung dieser Bedingungen einfach, raumsparend und preisgünstig sind und nicht zu einer unerwünschten Wärmeentwicklung des Geräts führen.
Gleichzeitig soll durch die Erfindung erreicht werden, dass die Drehzahl des Motors auch dann nur unwesentlich von der vorgesehenen Betriebsdrehzahl abweicht, wenn sich die verwendete Netzspannung erheblich von dem Nennwert, insbesondere 110 V oder 220 V, auf den das Gerät eingestellt ist, unterscheidet, also z. B. 127 V oder 240 V beträgt, oder wenn stärkere Netzspannungsschwankungen auftreten. Insbesondere ist die Schaltungsanordnung nach der Erfindung für solche elektrischen Handgeräte bestimmt, welche, wie der bekannte Trockenrasierapparat nach der schweizerischen Patentschrift 468 869, ein dünnes, als bequemer Handgriff dienendes Gehäuse aufweisen.
Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art ist die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass dem Motorläufer eine Zener-Diode in Reihe mit einem ohmschen Widerstand parallel geschaltet ist und die Zener-Spannung dieser Diode annähernd gleich der Nennspannung des Gleichstrommotors ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Zener-Diode nur dann stromführend wird und die Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters entsprechend begrenzt, wenn mit einer Netzspannung gearbeitet wird, welche höher als die gewünschte Motorklemmenspannung ist.
Wenn das Gerät, wie allgemein üblich, zum Betrieb mit Wechselspannungen von 220 V oder 110 V eingerichtet ist, dann ist die Anordnung vorzugsweise derart getroffen, dass der Motor beim Betrieb mit einer Wechselspannung von 220 V ohne Zener-Diode eine etwa 20 /0 bis 50 %, vorzugsweise um wenigstens 30 /0 höhere Drehzahl als beim Betrieb mit 110 V hat. Das lässt sich durch eine geeignet bemessene Spannungsteilerschaltung auf der Eingangsseite des Gleichrichters erreichen, Dadurch erreicht man, dass der Motor nach dem Einschalten des Geräts rasch anläuft, bis die Zener-Diode beim Erreichen der Zener-Spannung leitend wird und dann die Motordrehzahl auf einem konstanten Wert hält, welcher der Motordrehzahl bei 110 V Klemmenspannung entspricht.
Unter diesen Bedingungen arbeitet nämlich der Motor praktisch nur im Bereich des nahezu gradlinig verlaufenden Abschnitts der exponentiellen Anlaufkennlinie. Da die Motorklemmenspannung bei stromführender Zener-Diode gleich der Summe aus Zener-Spannung und Spannungsabfall an dem in Reihe mit der Diode liegenden ohmschen Widerstand ist, wird vorzugsweise diese Spannungssumme gleich der gewünschten Motorklemmenspannung, und der ohmsche Widerstand gerade nur so gross gewählt, dass er die Zener-Diode hinreichend schützt und beispielsweise der Spannungsabfall am Widerstand nur 2 /0 bis 10 /0 der Motorklemmenspannung ausmacht, während die Zener Spannung 90010 bis 98 % der Klemmenspannung beträgt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung am Beispiel eines Schaltbildes näher erläutert.
Nach diesem Schaltbild sind die Wechselspannungseingänge einer Gleichrichterbrücke 8 an die Klemmen 1 und 2 zum Anschluss an eine Netzspannung von entweder 110 V oder 220 V angeschlossen. In der zur Anschlussklemme 2 führenden Leitung liegt ein ohmscher Widerstand 3 und ein Ein-Aus-Schalter 4, während in der zur Anschlussklemme 1 führenden Leitung ein Kondensator 7 angeordnet ist, zu welchem ein ohmscher Widerstand 6 und ein Spannungsumschalter 5 parallel liegen. An die Gleichspannungsausgänge der Gleichrichterbrücke 8 ist der Läufer eines Gleichstrommotors 9 angeschlossen, dessen Erregerfeld vorzugsweise durch nicht dargestellte Dauermagnete, insbesondere Ferritmagnete, erzeugt wird. Parallel zum Motorläufer liegt eine Zener-Diode 10 in Reihe mit einem ohmschen Widerstand 11.
Bei geöffnetem Spannungsumschalter 5 kann das Gerät an 220 V Netzspannung und bei geschlossenem Spannungsumschalter 5 an 110 V Netzspannung angeschlossen werden, die üblicherweise eine Frequenz von 50 Hz hat. Im ersten Falle dienen der Kondensator 7 und der diesem parallel liegende Widerstand 6 als Spannungsteiler.
Im folgenden sei als Beispiel eine zweckmässige Dimensionierung der im Schaltbild gezeigten Bauelemente angegeben: Widerstand 3: 56 Q; 0,3 W; Widerstand 6: 270 kfl, 0,2 W; Kondensator 7: 1,10 +0,05 uF; Zener-Diode 10: 100 V + 5 /0 (Typ MITT, ZY 100); Widerstand 11: 1,5 kQ, 0,5 W.
Mit einer derart dimensionierten Schaltung wurden bei einem elektrischen Trockenrasierapparat folgende Ergebnisse erzielt:
Ohne Zener-Diode änderte sich die Drehzahl n bzw.
die Leistungsaufnahme P eines Gleichstrommotors, welcher bei Anlegung einer Netzspannung von 220 V die Werte n = 9900 U/min und P = 9 W hatte, bei Verringerung der Netzspannung um 10 01o auf n = 8100 U/min bzw.
P = 7,5 W und bei Erhöhung der Netzspannung um 10010 auf n = 10 500 U/min bzw. P = 12 W.
Mit Zener-Dioden wurden bei einer Netzspannung von 220 V n = 8100 U/min bzw. P = 8,3 W, bei Verringerung der Netzspannung um 10 /0 n = 7400 U/min bzw. P = 6,5 W und bei einer Erhöhung der Netzspannung um 10 % n = 8900 U/min bzw. P = 9,75 W beobachtet. Die Anwendung einer Zener-Diode verbessert also erheblich sowohl die Stabilität der Drehzahl als auch die Konstanz der aufgenommenen Leistung.
Das gleiche Gerät zeigte beim Betrieb mit einer Netzspannung von 110 V, bei welcher die Zener-Diode nicht oder nur unwesentlich leitend wird, näherungsweise die gleichen Werte wie bei einer Netzspannung von 220 V.
Versuche am gleichen Gerät mit einer Netzspannung von 264 V, entsprechend der beispielsweise in Grossbritannien üblichen Netzspannung von 240 V + 10 /0, zeigten, dass die Drehzahl ohne Zener-Diode bei 12 000 U/min liegt, was einen unzulässig hohen Wert mit starker Geräuschentwicklung bedeutet, während bei Anwendung einer Zener-Diode die Drehzahl nur 10 200 U/min betrug und die Geräuschentwicklung erheblich vermindert war. Ganz änliche Stabilisierungseffekte der Zener-Diode wurden bei Versuchen mit einer Netzspannung von 140 V, entsprechend der beispielsweise in Frankreich zu findende Netzspannung von 127 V + 10010, beobachtet.
Die maximale Stromaufnahme der Zener-Diode liegt im allgemeinen bei ungefähr 10 mA-20 mA, während in elektrischen Rasierapparaten verwendete Gleichstrommotoren 40 bis 50 mA aufnehmen.
Ferner liegt die Verlustleistung der Zener-Diode beim Betrieb des Geräts mit 220 V Netzspannung nur bei ungefähr 1 W, und die Verlustleistung des mit der Diode in Reihe liegenden Widerstandes bei etwa 0,2 W, was eine praktisch verschwindende Erwärmung bedeutet.
Anstelle der beispielsweise beschriebenen Spannungsteilerschaltung im Eingangskreis der Gleichrichterbrücke können auch andere bekannte, geeignet bemessene Spannungsteiler verwendet werden, wobei die Dimensionierung so zu treffen ist, dass die bei Anschluss des Geräts an die höchste vorgesehene Netzwechselspannung an der Zener-Diode auftretende Spannung für den gewählten Typ der Zener-Diode noch zulässig ist.