DE10045124A1 - WS/GS-Stromversorgung mit zusätzlicher Energiespeicherung - Google Patents

Abstract

Eine WS/GS-Stromversorgung wird offenbart, die eine WS-Eingabespannung in eine GS-Ausgabespannung umwandelt und die GS-Ausgabespannung Strom-betriebenen Vorrichtungen zuführt. Die Stromversorgung schließt einen Transformator ein, um einen Spannungspegel der WS-Eingabespannung zu verringern, und eine Energiespeichervorrichtung in Form eines Bolder-Akkus, der einen geringen Innenwiderstand aufweist und der in der Lage ist, allgemein augenblicklich eine hohe Leistung zu erzeugen. Die Energiespeichervorrichtung ermöglicht es, daß die Stromversorgung hohen elektrischen Lasten gerecht wird, die die Ausgabe des Transformators übersteigen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Stromversor­ gungen für Batterie-betriebene Vorrichtungen und insbesondere ein WS-Stromversorgungssystem, das ausgebildet ist, um Batterie­ betriebenen Vorrichtungen GS-Strom zuzuführen.

Für Strom-betriebene Vorrichtungen bzw. Werkzeugen wie beispielsweise Bohrer, Kreissägen, Sandpapierschleifmaschinen, usw. ist es normal, Batterie-betrieben zu werden. Wenn solche Vorrichtungen ausgebildet sind, um Batterie-betrieben zu sein, haben sie notwendigerweise Gleichstrommotoren, und wenn sie mit einer WS-Stromquelle verbunden werden, müssen sie einen WS/GS- Wandler haben, um die Vorrichtungen zu betreiben. Viele Werkzeuge sind aufgebaut, kabellose Energieversorgungseinheiten aufzunehmen, die direkt am Werkzeug angebracht sind, und es ist wünschenswert, einen mit einem Kabel versehenen WS/GS-Wandler zu haben, der so groß ist, daß er in dasselbe Fach wie die Energieversorgungseinheit paßt.

Ein typischer Wandler schließt eine Stromtransformatorvor­ richtung ein, um einen Wechselstrom (WS) in Gleichstrom (GS) zu wandeln und den gewandelten Gleichstrom dem Werkzeug zuzuführen. Der im Wandler enthaltene Transformator neigt zum Überhitzen, vor allem wenn sich aus dem Gebrauch des Werkzeugs eine große Last ergibt. Mit der Zunahme der Größe des Transformators kann das Problem des Überhitzens verhindert oder zumindest erleichtert werden, aber es entstehen Kosten in Verbindung mit der größeren Größe und es gibt praktische Einschränkungen der Größe, die durch das Fach des Werkzeugs auferlegt werden, in dem der Wandler zu passen hat. Auch kann ein großer Transformator unerwünscht sein, weil die Größe und das Gewicht der Stromversorgung es erschweren, das Werkzeug zu benutzen.

Entsprechend ist es eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte WS/GS-Stromversorgung bereitzustel­ len, um GS-Vorrichtungen und -werkzeuge mit Strom zu versorgen, und die angepaßt ist, einen adäquaten Gleichstrom bereitzustel­ len, aber auch in der Lage ist, eine hohe Leistung zuzuführen, um eine elektrische Last zur Verfügung zu stellen, die für kurze Zeitspannen von einem Werkzeug aufgenommen wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte WS/GS-Stromversorgung zur Verfügung zu stellen, die einen Transformator mit einer vorbestimmten Nennleistung aufweist, wobei die Stromversorgung in der Lage ist, die vom Transformator zugeführte Energie zu ergänzen, um einer durch ein Werkzeug aufgenommenen elektrischen Last zu genügen, die nicht nur vom Transformator alleine zugeführt werden kann.

Eine detaillierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine derart verbesserte Stromversorgung bereitzustellen, die einen Transformator mit einer vorbestimmten Nennleistung und eine Batterie aufweist, die einen hohen Strom beinahe augenblicklich bereitstellt, um die Transformatorausgabe zu ergänzen, um elektrischen Lasten kurzer Dauer zu genügen, die während des Betriebs eines Werkzeugs bzw. einer anderen Vorrichtung auftreten.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine derartig verbesserte Stromversorgung bereitzustel­ len, die ausgebildet ist, um gleichzeitig dem Werkzeug Strom bereitzustellen und die Batterie aufzuladen, wenn die Batterie das Werkzeug nicht versorgt.

Weitere Aufgaben und Vorteile werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 2 ein detailliertes schematisches Diagramm des Strom­ kreises aus Fig. 1 ist; und

Fig. 3 ein Diagramm vom Strom in Bezug zur Spannung der Ausgabe der vorliegenden Erfindung unter verschiedenen Betriebs­ lasten ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Allgemein erläutert, betrifft die vorliegende Erfindung eine Stromversorgung zum Wandeln einer WS-Eingabespannung in eine GS-Ausgabespannung und das Zuführen der GS-Ausgabespannung an Strom-betriebenen Vorrichtungen wie beispielsweise Strom­ betriebene Handwerkzeuge, z. B. Kreissägen, Schweifsägen, Sandpa­ pierschleifmaschinen, Taschenlampen, Rasen- und Gartenwerkzeuge, Luftpumpen, usw. Die Stromversorgung schließt einen Transforma­ tor zum Verringern des Spannungspegels der WS-Eingabespannung und einen Gleichrichter ein, der elektrisch mit dem Transforma­ tor verbunden ist, um die durch den Transformator verringerte WS-Eingabespannung in die GS-Ausgabespannung gleichzurichten, die den Strom-betriebenen Vorrichtungen zugeführt wird. Die Erfindung schließt auch ein Energiespeichermittel ein, das elektrisch mit der GS-Ausgabe verbunden ist, um als Reaktion auf die Strom-betriebene Vorrichtung, die eine Last aufnimmt, die die Leistungsfähigkeit des Transformators übersteigt, Strom mit einer vorbestimmten Spannung an die GS-Ausgabe zu führen.

Kehrt man jetzt auf Fig. 1 zurück, wird der Stromkreis der vorliegenden Stromversorgung allgemein mit 10 bezeichnet und schließt einen Abwärtstransformator 12 (nicht gezeigt) ein, der die an die Eingangsleitungen 14 angelegte Eingabespannung von allgemein 120 Wechselspannung zu einer Spannung umwandelt, die geeignet ist, um jeweils den Gleichstrom auf den positiven und den negativen Leitungen an Werkzeugen und anderen motorisierten vorstehend bezeichneten Anwendungen zu führen.

Eine Stromversorgung 10 hat auch eine Ausgabeleitung 20, die mit dem Pluspol einer Energiequelle 22 und mit der Anode einer Diode 24 verbunden wird, deren Kathode mit der Leitung 16 verbunden ist. Die Energiequelle hat ihren Minuspol mit der Leitung 18 verbunden. Wie gewünscht, verhindert die Diode 24 den Stromfluß von der Leitung 16 in die Energiequelle 22. Jedoch ist die Leitung 20 mit dem Pluspol der Energiequelle verbunden, und diese wiederaufzuladen, wenn sie erschöpft ist.

In Übereinstimmung mit einem wichtigen Aspekt der vorlie­ genden Erfindung weist die Stromversorgung mit ihrem Transformator 12 (nicht gezeigt) eine vorbestimmte Nennleistung auf, die ausgebildet ist, um vorzugsweise genügend Strom zuzuführen, um die Werkzeuge und die motorisierten Anwendungen, die mit Strom zu versorgen sind, unter allgemeinen Standardbetriebs- und Lastbedingungen zu betreiben. Die Bedingungen in Bezug auf den Aufbau der Stromversorgung sind Kosten und Größe betreffend, so daß es erwünscht ist, daß die Stromversorgung genügend Strom bereitstellt, um eine Reihe von Werkzeugen und von anderen motorisierten Anwendungen unter normalen Bedingungen zu betreiben, und daß die Stromversorgung jedoch klein genug ist, um in das Fach der Anwendung zu passen, wobei diese ebenfalls so groß sein würde, um beispielsweise eine kabellose GS-Energie­ versorgungseinheit aufzunehmen. Einer der wichtigen Faktoren beim Bestimmen der Stromausgabe der Stromversorgung ist die Größe des Transformators, der für gewöhnlich verwendet wird, um die eingegebene WS-Spannung (für gewöhnlich 120 Wechselspannung) auf eine niedrigere Spannung zu verringern, die dann zu einer GS-Spannung gleichgerichtet wird, die verwendet werden kann, um die GS-Werkzeuge und die motorisierten Anwendungen zu betreiben. Der Transformator ist ein Schlüsselelement, das die Nennleistung der Stromversorgung sowie ihre Größe bestimmt, und es ist ebenfalls der Transformator, der bedeutend zu den Kosten der Stromversorgung beiträgt.

In Übereinstimmung mit einem anderen wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Energiequelle 22 vorzugsweise ein Batteriesystem, das ein Nickel-Kadmium-Stahlakku, Nickel-MH-Akku oder ein Bolder-Blei-Säureakku sein kann. Der Bolder-Akku wird bevorzugt, da er den geringsten Innenwiderstand aufweist und in der Lage ist, beinahe augenblicklich die höchste Strommenge zu erzeugen. Es wird bevorzugt, daß der Bolder-Blei-Säureakku ein Bolder-Packet umfaßt, das vier Zellen mit einer Ausgabe von 8,4 Volt enthält, obwohl Ausgaben von 10 und 12 Volt erhältlich sind und gewiß auch im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Die Stromversorgung 10 schließt auch eine Doppelweg-Diodenbrücke (nicht gezeigt) ein, die die WS-Spannung in eine GS-Spannung wandelt, die an den Ausgangsleitungen 16 und 18 bereitgestellt wird. In Zusammenhang mit dem mit der Doppelweg-Diodenbrücke verbundenen Transformator wird die Ausgabecharakteristik in Fig. 3 durch die Linie 26 gezeigt. Wie gezeigt, nimmt die Spannung ab, wenn der Strom bzw. die Last zunimmt, was geschehen kann, sobald ein Werkzeug wie beispielsweise eine Säge verwendet wird, um beispielsweise Holzbretter zu schneiden. Je größer der Widerstand des Holzes ist, was zur Verlangsamung der Säge führt, desto größer wird auch der aufgenommene Strom sein, was bewirken wird, daß die Ausgabespannung in Übereinstimmung mit der Linie 26 abnimmt.

Wenn jedoch die Ausgabespannung auf einen bestimmten Pegel fällt, der durch die Ausgabespannung der Energiequelle 22 bestimmt wird, die im Falle von vier Zellen der Bolder-Einheit eine in der Linie 28 gezeigte Ausgabe von 8,4 Volt aufweist, startet die Bolder-Einheit mit dem Beitrag zur Stromausgabe, wenn die Stromausgabe einmal etwa 15 Ampere erreicht. Dies ermöglicht es der Spannung, beinahe konstant zu bleiben, während die erhöhte Ladung vom Bolder-Akku 22 zugeführt wird. Die Art und Weise dieses Vorgangs ermöglicht die Verwendung des kleinst möglichen Transformators. Indem dem Bolder-Akku 22 erlaubt wird, Strom unter schweren Lastbedingungen, denen die Werkzeuge oder dergleichen ausgesetzt werden, die 20 Ampere überschreiten, zu speisen, kann die Zeitspanne, bevor sich ein Wärmeschutzgerät öffnet, verlängert werden, was wünschenswert ist. Wenn die Last auf die Strompegel verringert wird, die vom Transformator selbst zugeführt werden können, kann der Bolder-Akku 22 durch die Leitung 20 wiederaufgeladen werden, so daß er für eine anschließende Verwendung unter hoher Last verfügbar ist. Die Linien 30 und 32 zeigen einen ähnlichen Betrieb mit Bolder- Zellen, die Ausgaben von etwa 10 und 12 Volt aufweisen, und die Linien 34, 36 und 38 zeigen die Ausgabereaktionen von jeweils 12 V, 13,2 V und 14,4 V Nickel-Kadmium-Akkus, die nicht gleichermaßen in der Lage sind, eine erhöhte Last bei konstanter Spannung bereitzustellen, jedoch die Ausgabecharakteristik in Bezug auf die Leitung 26 verbessern.

In Übereinstimmung mit einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein schematisches Diagramm des Stromkreises der Fig. 1 in Fig. 2 gezeigt, die die Leitungen 14 darstellt, die mit der Eingangswicklung eines Transformators 112 verbunden sind, wobei eine Sicherung 40 mit der Primärwicklung verbunden wird, die betreibbar ist, um den Schaltkreis zu öffnen, wenn die Temperatur der Eingangswicklung eine vorbe­ stimmte Grenze übersteigt. Ein vorab eingestelltes Thermostat 42 ist ebenfalls mit der Sekundärwicklung des Transformators 12 operativ verbunden und ausgebildet, um zu öffnen, sobald ihre Temperatureinstellung überschritten wird. Der Stromkreis an der Primärseite des Transformators 12 hat rote und grüne LEDs (Lichtdioden), um eine Anzeige des Betriebs der Stromversorgung bereitzustellen.

Die Schaltung aus Fig. 2 verfügt auch über eine Batterieladeschaltung 44, die einen Widerstand 46 aufweist, die mit der Leitung 20 verbunden ist, die mit dem Pluspol der Bolder-Energiequelle 22 verbunden wird und dazu ausgebildet ist, dieselbe wiederaufzuladen. Die Schaltung 44 verfügt auch über eine Leitung 45, die zusammen mit der Leitung 18 eine Ausgabe bereitstellt, um ein NICAD-Batterie-Energieversorgungseinheit aufzuladen, das bereitgestellt werden kann, um das Strom­ betriebene Werkzeug oder eine andere motorisierte Anwendung mit Strom zu speisen. Die Sekundärwicklung des Transformators 12 ist mit einem allgemein mit 46 gekennzeichneten Doppelweg- Diodenbrücken-Gleichrichter verbunden, der auf der Leitung 16 und 18 eine GS-Spannung bereitstellt, um das Werkzeug oder die andere Anwendung zu betreiben. Die Ausgabe schließt auch einen Metalloxid-Varistor 48, einen Filterkondensator 50 und einen Entladungswiderstand 52 ein. Der Varistor sorgt für einen vorübergehenden Schutz, der Filterkondensator 50 hält die Spannung auf, wenn kein Strom fließt, und der Entladungswiderstand 52 strahl die Energie aus dem Filterkondensator aus.

Aus der vorherigen Beschreibung sollte verständlich sein, daß ein verbessertes Stromversorgungssystem für Strom-betriebene Werkzeuge und andere motorisierte Anwendungen gezeigt und beschrieben wurde, das viele wünschenswerte Zusätze und Vorteile aufweist.

Die Wirkungsweise des Vier-Zellen-8,4-Volt-Bolder- Energieversorgungseinheit, die in der Schaltung aus Fig. 1 verwendet wird und bei einem 8 Volt-Pegel und einem 10 Volt- Pegel zusätzliche Energie bereitstellt, sowie die Wirkungsweise einer Kreissäge ohne einer Bolder-Energieversorgungseinheit werden unten in Tabelle 1 gezeigt.

TABELLE 1

Wie in Spalte 1 der Tabelle gezeigt, wurde ohne die Unterstützung der Bolder-Batterie-Energieversorgungseinheit eine 14,4 Volt Kreissäge verwendet, um Zweimal-Vier-Bretter zu schneiden, und es wurden nur acht Schnitte vorgenommen, bevor die Wärmeüberladung 42 heraussprang. In Spalte 2 wurden mit einer 8 Volt Bolder-Unterstützung, die in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet wird, achtzehn Schnitte vorgenommen, bevor sich die Wärmeüberladung 42 öffnete. In Bolder-Energiever­ sorgungseinheit blieben auch 48% der Energie übrig, als dies geschah. Schließlich wurde in Spalte 3 eine 10 Volt Bolder- Energieversorgungseinheit mit derselben Kreissäge verwendet und 29 Schnitte vorgenommen, bevor der Wärmeüberladungsschalter 42 heraussprang, und in der Bolder-Energieversorgungseinheit blieben 33% der Energie blieb übrig, als dies geschah.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Stromversorgung der Art, die einen Abwärtstransformator verwendet, der kleiner und billiger ist als es sonst erforderlich wäre, um den hohen Lastbedingungen gerecht zu werden, da die Stromversorgung eine Ergänzungsquelle vorzugsweise in Form eines niedrigen Innenwi­ derstands und einer hohen augenblicklichen Energie oder Ausgabe einschließt. Dies ermöglicht, daß die Ausgabe des Transforma­ tors, die durch die Doppelweg-Diodenbrücke gleichgerichtet wird, von der Bolder-Batterie-Energieversorgungseinheit ergänzt wird, wodurch es ermöglicht wird, daß eine sehr hohe Stromlast über eine kurze Zeitspanne zugeführt wird, was beträchtlich die Zeit ausdehnt, die anderenfalls zu einer Öffnung der Schaltung durch den Wärmeschutz führen würde.

Obwohl verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sollte es klar sein, daß dem durchschnittlichen Fachmann auf dem Gebiet weitere Modi­ fikationen, Substitutionen und Alternativen ersichtlich sind. Solche Modifikationen, Substitutionen und Alternativen können vorgenommen werden, ohne sich vom Geist und Schutzumfang der Erfindung zu lösen, wie er in den anliegenden Ansprüchen bestimmt werden sollte.

Verschiedene Merkmale der Erfindung werden in den anliegen­ den Ansprüchen dargelegt.

Claims (12)

1. Ein Stromversorgungsgerät zum Umwandeln einer WS- Eingabespannung in eine GS-Ausgabespannung, die einer GS-Ausgabe zugeführt wird, um eine motorisierte Anwendung oder dergleichen mit Energie zu versorgen, wobei das Gerät folgendes umfaßt:
ein Transformationsmittel, das ausgebildet ist, damit es elektrisch mit der WS-Eingabespannung verbunden wird, um den Spannungspegel der Eingabespannung zu verringern, wobei das Transformationsmittel eine vorbestimmte Stromleistung aufweist;
ein Mittel, das elektrisch mit dem Transformationsmittel verbunden ist, um die vom Transformationsmittel verringerte WS- Eingabespannung in die GS-Ausgabespannung gleichzurichten, die der Strom-betriebenen Vorrichtung zugeführt wird;
ein elektrisch mit der GS-Ausgabe verbundenes Energiespei­ chermittel, um als Reaktion auf die Aufnahme einer Last durch die Strom-betriebene Vorrichtung, die die Stromleistung des Transformationsmittel übersteigt, einen Strom mit einer vorbe­ stimmten Spannung der GS-Ausgabe zuzuführen.

2. Das Gerät nach Anspruch 1 wobei, das Transformationsmit­ tel ein Abwärtstransformator ist, der eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist.

3. Das Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gleichrichtermittel ein Doppelweg-WS/GS-Gleichrichter ist.

4. Das Gerät nach Anspruch 1, wobei das Energiespeichermit­ tel einen Bolder-Bleisäure-Akku einschließt, der einen Pluspol und einen Minuspol aufweist, wobei der Akku einen niedrigen Innenwiderstand hat und in der Lage ist, allgemein augenblick­ lich eine hohe Energie zu erzeugen.

5. Das Gerät nach Anspruch 4, das weiterhin ein Batteriela­ degerät einschließt, das elektrisch und operativ mit dem Transformationsmittel verbunden ist, um die Batterie aufzuladen.

6. Das Gerät nach Anspruch 4, wobei die GS-Ausgabe positive und einen negative Anschlußpunkte aufweist, wobei das Gerät eine Diode einschließt, deren Anode mit der Batterie und deren Kathode mit dem positiven Anschlußpunkt derart verbunden sind, daß ein Strom aus dem Gleichrichtermittel nicht in die Batterie fließen kann.

7. Das Gerät nach Anspruch 5, wobei die GS-Ausgabe positive und negative Anschlußpunkte aufweist, wobei das Gerät eine Diode einschließt, deren Anode mit Pluspol der Batterie verbunden ist und deren Kathode mit dem positiven Anschlußpunkt verbunden ist, und zwar derart, daß der Strom nicht vom Gleichrichtermittel in die Batterie fließen kann, wobei das Batterieladegerät mit der Anode und dem Pluspol der Batterie verbunden wird.

8. Das Gerät nach Anspruch 4, wobei das Energiespeichermit­ tel einen Nickel-Kadmium-Stahlakku umfaßt.

9. In einem Gerät zum Umwandeln einer WS-Eingabespannung in eine GS-Ausgabespannung, die einer GS-Ausgabe zugeführt wird, um eine motorisierte Anwendung oder dergleichen mit Energie zu versorgen, wobei das Gerät über ein Transformationsmittel verfügt, das ausgebildet ist, damit es elektrisch mit der WS- Eingabespannung verbunden wird, um den Spannungspegel der Eingabespannung zu verringern, wobei das Transformationsmittel eine vorbestimmte Stromleistung aufweist, und über ein Mittel zum Gleichrichten der verringerten WS-Eingabespannung in die GS- Ausgabespannung verfügt, die der Strom-betriebenen Vorrichtung zugeführt wird, eine Verbesserung, die folgendes umfaßt: ein Energiespeichermittel das elektrisch mit der GS- Ausgabe verbunden ist, um als Reaktion auf die Aufnahme einer Last durch die Strom-betriebene Vorrichtung, die die Stromlei­ stung des Transformationsmittel übersteigt, einen Strom mit einer vorbestimmten Spannung der GS-Ausgabe zuzuführen

10. Die Verbesserung nach Anspruch 9, wobei das Energiespeichermittel einen Bolder-Bleisäure-Stahlakku umfaßt, der einen Pluspol und einen Minuspol aufweist, wobei der Akku einen geringen Innenwiderstand hat und in der Lage ist, allgemein augenblicklich eine hohe Energie zu erzeugen.

11. Ein Stromversorgungsgerät zum Umwandeln einer WS- Eingabespannung in eine GS-Ausgabespannung, die einer GS-Ausgabe zugeführt wird, um eine motorisierte Anwendung wie beispielswei­ se eine tragbare Säge oder dergleichen mit Energie zu versorgen, wobei das Gerät folgendes umfaßt:
ein Transformationsmittel, das ausgebildet ist, damit es elektrisch mit der WS-Eingabespannung verbunden wird, um den Spannungspegel der Eingabespannung zu verringern, wobei das Transformationsmittel eine vorbestimmte Belastbarkeit aufweist;
ein Mittel, das elektrisch mit dem Transformationsmittel verbunden ist, um die vom Transformationsmittel verringerte WS- Eingabespannung gleichzurichten und um die sich daraus ergebende GS-Ausgabespannung der GS-Ausgabe zuzuführen, um die Strom­ betriebene Vorrichtung mit Energie zu versorgen;
ein elektrisch mit der GS-Ausgabe verbundenes Energiespei­ chermittel, um bei einer vorbestimmten Spannung, die etwa gleich der GS-Ausgabespannung ist, Strom zuzuführen, wenn die Strom­ betriebene Vorrichtung eine Last aufnimmt, die die Stromleistung des Transformationsmittels übersteigt.

12. Das Gerät nach Anspruch 11, wobei das Energiespeicher­ mittel einen Bolder-Bleisäure-Stahlakku einschließt, der einen niedrigen Innenwiderstand aufweist und in der Lage ist, allge­ mein augenblicklich eine hohe Leistung zu erzeugen.