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.
Circuit arrangement for an electrical hand-held device that can be operated with alternating voltage, in particular a dry shaving apparatus, with a direct current motor fed via a rectifier
The invention relates to a circuit arrangement for an electrical hand-held device that can be operated with alternating voltage, in particular a dry shaving apparatus, with a direct-current motor fed via a rectifier and with a selector switch for connection to various mains voltages.
Various solutions are already known in order to be able to connect such electrically operated hand-held devices to different mains voltages, in particular to 220 volts or 110 volts: a) A corresponding switchable transformer is used.
b) A correspondingly dimensioned self-induction coil is used.
c) Ohmic resistors with a suitable voltage drop are used.
d) Appropriately sized capacitors are used.
However, none of these known solutions optimally meets those requirements that must be placed on an electrical circuit arrangement in small electrically operated handheld devices, namely small space requirements for accommodation in the only small device housing, sufficiently low heat generation, economically reasonable costs and achieving a constant speed of the motor as possible , regardless of the size of the feeding AC voltage; In addition, it is essential that the motor always has an optimal start-up characteristic, i. H. after switching on the voltage, it quickly reaches its nominal speed without reaching an excessive terminal voltage and thus an impermissibly high speed at the start or starting too slowly due to the terminal voltage increasing only slowly.
It is also desirable that an electrical hand-held device, which for reasons of simplicity and economy can only be set to the two most common nominal values of the mains voltages of 110 V and 220 V, is not only satisfactory and within the general tolerance limits of about +10 / o of these nominal values can be operated without risk of damage, but can also be operated with alternating voltages that deviate considerably from these nominal values. So stands z. In France, for example, a mains voltage of 127 V is sometimes available as the inter-phase voltage of a 220 V three-phase system, while in Great Britain the nominal AC voltage is 240 V. The function of the device should also be guaranteed in the event of brief mains voltage fluctuations.
The known circuit arrangements, however, generally no longer allow the device to operate properly or even suffer damage if the line voltage values exceed the usual tolerance limits.
Furthermore, the known solutions with a transformer or a self-induction coil, on the one hand, require a relatively large amount of space and, on the other hand, increase the manufacturing costs of the devices considerably.
The use of resistors is also practically inapplicable, particularly in the case of small, narrow device housings, since they develop around 10 watts of additional heat output when the device is operated with 220 V.
The use of capacitors to reduce the motor terminal voltage to about 110 V when operating the device with a mains voltage of 220 V has the advantages of only small space requirements and low costs, but experience has shown other disadvantages. If you want to achieve the same motor speed when operating the device with a mains voltage of 220 V and 110-115 V, which is particularly desirable for a good shave, then you need a capacitor with a fairly small capacitance in series with the motor rotor switch. This has the serious disadvantage that when the device is started up, practically the entire supply voltage drops across the capacitor, since the impedance of the motor at speed 0 or only at low speed is very small and is practically only determined by the ohmic resistance of the winding.
At the moment of start-up, the terminal voltage for the motor is practically only about 10010 of the value of the supply voltage, so that the starting torque of the motor is very low and under certain circumstances, due to the mechanical friction, especially if the shear blades are dirty, is not sufficient to power the motor to start up. If, on the other hand, one chooses a higher capacitance of the capacitor to eliminate this disadvantage, then one can achieve a sufficient starting torque, but then the motor has a tendency to run away and to reach impermissibly high speed values.
This damages the service life of the device, causes excessive noise and also has the disadvantage that, due to the excessive cutting speed of the knives, the whiskers are comminuted in powder form, which leads to rapid contamination and clogging of the cutting head.
Even if, in order to achieve a compromise between the two contradicting requirements, one chooses a suitable average capacitance value that both guarantees sufficient torque for the start and prevents the motor from running away, one must accept the disadvantage that after the Device, the motor speed increases only slowly according to an exponential characteristic curve, so that the desired nominal speed is often only reached after a minute or an even longer time. This is of course extremely unfavorable for the user.
The invention is based on the object of improving a circuit arrangement of the type described above so that the device, regardless of the choice of the supplying mains voltage, always works with practically the same nominal speed, reaches this nominal speed as quickly as possible after switching on the voltage and the means to achieve these conditions are simple, space-saving and inexpensive and do not lead to undesirable heat generation in the device.
At the same time, the aim of the invention is to ensure that the speed of the motor only deviates insignificantly from the intended operating speed if the mains voltage used differs significantly from the nominal value, in particular 110 V or 220 V, to which the device is set, i.e. z. B. 127 V or 240 V, or if there are major fluctuations in the mains voltage. In particular, the circuit arrangement according to the invention is intended for such electrical hand-held devices which, like the known dry shaver according to Swiss patent specification 468 869, have a thin housing which serves as a convenient handle.
Based on a circuit arrangement of the type described at the outset, the invention for solving this problem is characterized in that a Zener diode is connected in series with an ohmic resistor in parallel to the motor rotor and the Zener voltage of this diode is approximately equal to the nominal voltage of the DC motor. In this way it is achieved that the Zener diode is only energized and the DC voltage at the output of the rectifier is limited accordingly if a mains voltage is used which is higher than the desired motor terminal voltage.
If the device is set up for operation with alternating voltages of 220 V or 110 V, as is generally the case, the arrangement is preferably made such that the motor, when operated with an alternating voltage of 220 V without a Zener diode, has an approx. 20/0 to 50%, preferably at least 30/0 higher speed than when operating with 110 V. This can be achieved with a suitably dimensioned voltage divider circuit on the input side of the rectifier.This ensures that the motor starts up quickly after switching on the device until the Zener diode becomes conductive when the Zener voltage is reached and then the motor speed is at a constant Holds a value which corresponds to the motor speed at 110 V terminal voltage.
Under these conditions, the motor works practically only in the area of the almost straight section of the exponential starting characteristic. Since the motor terminal voltage with a live Zener diode is equal to the sum of the Zener voltage and the voltage drop across the ohmic resistor in series with the diode, this voltage sum is preferably equal to the desired motor terminal voltage, and the ohmic resistance is only chosen so large that it the Zener diode provides adequate protection and, for example, the voltage drop across the resistor only accounts for 2/0 to 10/0 of the motor terminal voltage, while the Zener voltage is 90010 to 98% of the terminal voltage.
The invention is explained in more detail with reference to the drawing using the example of a circuit diagram.
According to this circuit diagram, the AC voltage inputs of a rectifier bridge 8 are connected to terminals 1 and 2 for connection to a mains voltage of either 110 V or 220 V. In the line leading to the connection terminal 2 there is an ohmic resistor 3 and an on-off switch 4, while the line leading to the connection terminal 1 has a capacitor 7, to which an ohmic resistor 6 and a voltage switch 5 are parallel. The rotor of a direct current motor 9 is connected to the direct voltage outputs of the rectifier bridge 8, the excitation field of which is preferably generated by permanent magnets (not shown), in particular ferrite magnets. A Zener diode 10 is connected in series with an ohmic resistor 11 in parallel with the motor rotor.
When the voltage switch 5 is open, the device can be connected to 220 V mains voltage and when the voltage switch 5 is closed to 110 V mains voltage, which usually has a frequency of 50 Hz. In the first case, the capacitor 7 and the resistor 6 lying parallel to it serve as a voltage divider.
The following is an example of a suitable dimensioning of the components shown in the circuit diagram: Resistor 3: 56 Ω; 0.3 W; Resistor 6: 270 kfl, 0.2 W; Capacitor 7: 1.10 +0.05 µF; Zener diode 10: 100 V + 5/0 (type MITT, ZY 100); Resistor 11: 1.5 kQ, 0.5 W.
With a circuit dimensioned in this way, the following results were achieved with an electric dry shaver:
Without the Zener diode, the speed n resp.
the power consumption P of a DC motor, which had the values n = 9900 rpm and P = 9 W when a mains voltage of 220 V was applied, when the mains voltage was reduced by 10 01o to n = 8100 rpm or
P = 7.5 W and when the mains voltage is increased by 10010 to n = 10 500 rpm or P = 12 W.
With Zener diodes at a line voltage of 220 V n = 8100 rpm or P = 8.3 W, when the line voltage was reduced by 10/0 n = 7400 rpm or P = 6.5 W and at an increase in the line voltage by 10% n = 8900 rpm or P = 9.75 W. The use of a Zener diode therefore considerably improves both the stability of the speed and the constancy of the power consumed.
When operated with a mains voltage of 110 V, at which the Zener diode does not or only insignificantly conductive, the same device showed approximately the same values as with a mains voltage of 220 V.
Tests on the same device with a mains voltage of 264 V, corresponding to the mains voltage of 240 V + 10/0 common in Great Britain, for example, showed that the speed without a Zener diode is 12,000 rpm, which is an inadmissibly high value with strong Noise development means that when a Zener diode is used, the speed was only 10 200 rpm and the noise development was considerably reduced. Quite similar stabilization effects of the Zener diode were observed in tests with a mains voltage of 140 V, corresponding to the mains voltage of 127 V + 10010 found in France, for example.
The maximum current consumption of the Zener diode is generally around 10 mA-20 mA, while DC motors used in electric shavers draw 40 to 50 mA.
Furthermore, the power loss of the Zener diode when the device is operated with 220 V mains voltage is only about 1 W, and the power loss of the resistor in series with the diode is about 0.2 W, which means practically negligible heating.
Instead of the voltage divider circuit described for example in the input circuit of the rectifier bridge, other known, suitably dimensioned voltage dividers can also be used, the dimensioning being such that the voltage occurring at the Zener diode when the device is connected to the highest provided AC voltage for the selected type the Zener diode is still permissible.