DE19654104A1

DE19654104A1 - Anordnung zur optimalen Ausnutzung eines mechanischen Federspeichers für die Erzeugung elektrischen Stroms zum Betrieb von elektrischen und elektronischen Geräten

Info

Publication number: DE19654104A1
Application number: DE19654104A
Authority: DE
Inventors: Eckhard H Dr Krueger; Guenther Duerrschmied
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-23
Filing date: 1996-12-23
Publication date: 1998-06-25

Description

THEMATISIERUNG

Eine Reihe von elektronischen Geräten benötigen zum Betrieb ge ringe Ströme im 50 bis 200 Milliampere-Bereich bei Spannungen im Bereich von 3 Volt.

Es liegt daher nahe, für solche Energien die menschliche Mus kelkraft einzusetzen. Für die Speicherung der geleisteten Ar beit kommen elektrische Methoden wie die direkte Umwandlung über einen Generator und Speicherung in Akkumulatoren oder me chanische Speicherung in einem Federspeicher in Frage. Die hier vorgeschlagene Lösung nutzt einen mechanischen Federspeicher.

EIGENSCHAFTEN VON MECHANISCHEN FEDERSPEICHERN

Bei der Speicherung mechanischer Arbeit in Federspeichern muß beachtet werden, daß die durch Spannen der Feder gespeicherte Arbeit beim Entspannen der Feder ungleichmäßig wieder abgegeben wird, d. h. zu Beginn bei besonders straff gespannter Feder wird eine höhere Leistung abgegeben als gegen Ende, wenn die Feder nur noch schwach gespannt ist. Dieses Phänomen ist sowohl aus alten mechanischen Grammophonen (Jaulen am Ende der Betriebszeit) als auch von federgetriebenem mechanischem Spielzeug (Abnahme der Geschwindigkeit) bekannt. Für die meisten elektronischen und elektrischen Anwendungen ist jedoch eine gleichmäßige oder eine dem jeweiligen Bedarf angepaßte Energielieferung über einen be stimmten Zeitraum Voraussetzung.

WIRKUNGSGRADE

Der Gesamtwirkungsgrad eines Federspeichergenerators setzt sich zusammen aus dem Wirkungsgrad der Umwandlung der Muskelarbeit in gespeicherte Arbeit, dem Wirkungsgrad für die wieder abgege bene Arbeit des Federspeichers sowie dem elektrischen Wirkungs grad von der Umwandlung der abgegebenen Energie des Federspei chers in elektrischen Strom.

In Formeln:

Eta gesamt = eta mechanisch-aufzug*eta mechnisch-entspan nung*eta elektrisch

DIE CHARAKTERISTIK VON MECHANISCHEN FEDERSPEICHERN ZUR ERZEUGUNG VON ELEKTRISCHEM STROM

Die Feder entspannt sich gegen den externen Widerstand des Ge nerators. D.h. der Generator bremst gleichzeitig die Feder ge gen zu schnelles Ablaufen. Wenn kein entsprechender Abnehmer vorhanden ist, kann die zugeführte Federenergie durch den Gene rator nicht abgebremst werden, und der Federspeicher beschleu nigt den Generator bis zur Zerstörung. Auf dieses Problem wird weiter unten ausführlich eingegangen.

PROBLEMLÖSUNG STAND DER TECHNIK

Es liegt eine Druckschrift "GB 2 262 324 A" mit Veröffentli chungsdatum 16.06.1993 zur Nutzung eines Federspeichers als Spannungsquelle vor.

An diesem Beispiel des Baygen Federspeichers mit Radio (Free play) soll die Funktion der Erfindung und die erhebliche Ver besserung dieses Radios bezüglich der Laufzeit erläutert wer den. Dabei ist die beispielhafte Erläuterung des Prinzips nicht als Einschränkung auf diese Anwendung (Radio) zu verstehen. Die Realisierung der Idee ist auch andere Schaltungsvarianten für andere Anwendungen möglich.

Das Freeplay Radio hat derzeit eine Spieldauer von 27,5 Minu ten. Hier ist das Funktionsprinzip wie folgt gelöst:
Über eine Handkurbel wird eine Feder gespannt. Mit der entspan nenden Feder wird ein Gleichstrommodellmotor betrieben, der als Generator geschaltet ist. Wir haben es im vorliegenden Fall al so mit dem Sonderfall eines federgetriebenen Generators zu tun, der eine Stromquellencharakteristik aufweist. Dies unterschei det das vorliegende Problem vom klassischen Fall eines motorge triebenen Generators mit Spannungsquellencharakteristik. In ei nem solchen Fall wäre die zum Patent angemeldete Wandlertech nik unsinnig.

Die Abwicklungsdrehzahl des Generators verläuft direkt propor tional zur abgenommenen Spannung U. (Fig. 1). Bei U=0 Volt (Kurzschluß) ist die Drehzahl allerdings nicht gleich Null, sondern es stellt sich eine "Kurzschlußdrehzahl" ein, wegen des nicht unendlich kleinen ohmschen Wicklungswiderstandes. Abhän gig vom Betriebszustand, liefert der Generator einen bestimmten STROM I. Dieser hängt primär vom "Aufzugsgrad" also vom Drehmo ment ab, er wird jedoch auch mit zunehmender elektrischer Span nung (hohe Drehzahl) kleiner, da die mechanischen Verluste an steigen. Im Bereich U=0 Volt bis 3 Volt sind es ganz aufgezogen ca. 50 mA, kurz vor Ablauf ca. 25 mA (Fig. 2).

Man stellt also fest, daß zu einem bestimmten Laststrom immer auch eine bestimmte Spannung gemäß Kennlinie gehört. Es ist al so nicht möglich nur einen kleinen Strom zu entnehmen, ohne daß sich die da zugehörige hohe Spannung und damit auch hohe Dreh zahl einstellt.

Entnimmt man gar keinen Strom, (Generator unbelastet), erreicht der Generator seine Maximaldrehzahl, was bis zur Zerstörung führen kann. Trotzdem wird keine Nutzleistung abgegeben. In diesem Zusammenhang sollte man sich allerdings auch den kurzge schlossenen Generator als in gewisser Weise unbelastet vor stellen, denn dann wird ebenfalls keine Nutzleistung abgege ben!

Im beispielhaften Betrieb zur Speisung eines Radios ergibt sich daraus die unerwünschte Situation, daß gerade bei kleinen Last strömen ("geringe Lautstärke") die Spannung und damit die Ab wickeldrehzahl stark ansteigt und sich die Betriebsdauer dem entsprechend verringert.

In der bisher vorliegenden Lösung wird dem Generator eine maxi male Spannung von 3 V über den gesamten Abwickelbereich aufge zwungen (Parallelbegrenzung durch Zehnerdiode). Gemäß Kennli nien liefert der Generator bei dieser Spannung zwangsläufig an fangs 50 mA und gegen Schluß 25 mA Strom. Wenn das Radio bei ge ringer Lautstärke nur etwa 10 mA aufnimmt, fließt der Rest unge nutzt durch die Zehnerdiode. Man erhält aber eine konstante Ab wickeldrehzahl, die für die Spannung 3 V etwa 2,25 U/Min be trägt.

Die bisherige Lösung ermöglicht zwar ein sehr stabiles Abwickel verhalten, verschwendet jedoch bei kleinem Laststrom weit mehr als die Hälfte der vom Generator abgegebenen Energie und ermöglicht deshalb nur die Betriebsdauer von ca. 27,5 Minuten. Diese ist allerdings unabhängig von der gewählten Lautstärke. Die Verhältnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Man erkennt deut lich die bei dieser Methode verschwendete Energie.

AUFGABE

GRUNDLAGE FÜR EINE LÖSUNG ZUR BESSEREN ENERGIEAUSNUTZUNG WAREN FOLGENDE ÜBERLEGUNGEN AM BEISPIEL DES RADIOS:
Der Funktionsbereich des Radiotuners beginnt bei etwa 2,5 Volt, demnach erscheint die Betriebsspannung von 3 Volt weiterhin an gemessen.

Zum Radiohören in ruhiger Umgebung genügt ein Betriebsstrom von 10 mA bei 3 Volt (empirisch ermittelter Wert). Dies entspricht einer aufgenommenen Leistung von 30 mW.

Gemäß Kennlinien in Fig. 4 kann der Generator diese LEISTUNG be reits bei Spannungen von kleiner 1,5 Volt abgeben (der zur Ver fügung stehende Strom beträgt in diesem Bereich wie oben ausge führt 25-50 mA; 30 mW/25 mA = 1,2 Volt; 30 mW/50 mA= 0,6 Volt). Sind höhere Leistungen gefordert, muß auf der Kennlinie "weiter nach rechts gegangen" und eine höhere Spannung zugelassen wer den.

Gesucht ist also ein Wandler, der jede geforderte Verbraucher leistung (bei 3 V) dem Generator bei größtmöglichem Strom und kleinstmöglicher Spannung entnimmt. Dadurch wird die kleinst mögliche Abwicklungsdrehzahl und damit die längste Betriebsdau er erreicht.

LÖSUNG DER AUFGABE VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN

Fig. 1 beschreibt die Abwickeldrehzahl als Funktion der Genera torspannung am Baygen Generator.

Fig. 2 beschreibt die Strom/Spannungskennlinie des Baygen Gene rators für 10 Umdrehungen Aufzug und für 50 Umdrehungen Aufzug.

Fig. 3 vergleicht die mögliche Nutzleistung mit der abgegebenen Generatorleistung nach Stand der Technik aufgrund der einge setzten Schaltung mit Zenerdiode im Baygen Generator.

Fig. 4 beschreibt die Leistungs/Spannungskennlinie nach Stand der Technik des Baygen Generators für 10 Umdrehungen Aufzug und für 50 Umdrehungen Aufzug.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für das Puls/Pausenverhältnis bei Pulsbreitenmodulation.

Fig. 6 zeigt die Übertragungskennlinie eines konventionellen Pulsbreitenmodulators mit steigender Steuerspannung (Us) als Funktion eines fallenden Puls/Pausenverhältnis.

Fig. 7 zeigt die geforderte umgekehrte Übertragungskennlinie mit steigender Steuerspannung (Us) als Funktion eines steigenden Puls/Pausenverhältnisses.

Fig. 8 zeigt das Schaltschema der zum Patent angemeldeten An ordnung. Statt des Pulsbreitenmodulators wird in Anspruch 2 ein Frequenzmodulator eingesetzt. Die Bemaßung der einzelnen Bau teile ist für die beispielhafte Anwendung beim Radio angegeben.

BESCHREIBUNG DER ANORDNUNG

Zur Lösung wird ein Aufwärts-Sperrwandler genutzt. Solche Wandler arbeiten mit Pulsbreitenmodulation und transformieren die Eingangsspannung um einen Faktor, der sich aus dem Puls-Pausen verhältnis F des Steuersignals errechnet (Fig. 5). Der Puls breitenmodulator ist Bestandteil einer Regelschleife, indem ein Teil der Ausgangsspannung direkt oder über einen Regelverstär ker an den Modulationseingang zurückgeführt wird.

Die Regelcharakteristik eines konventionell ausgelegten Schalt reglers ist jedoch nicht geeignet: droht die Ausgangsspannung abzusinken, z. B. wegen steigender Belastung, wird das Puls-Pau senverhältnis F vergrößert. Als Folge davon wird auch der Wand lerfaktor erhöht, was bedeutet, daß eingangsseitig ein höherer Strom auf genommen wird. Bei geringer Belastung geht dagegen das Puls-Pausenverhältnis F gegen Null; der eingangsseitige Strom sinkt ebenfalls. Dient eine Batterie oder das Stromnetz als speisende Stromquelle, ist dieses Verhalten auch erwünscht. Für den Generator eignet es sich aus den oben genannten Gründen nicht.

Das gewünschte Verhalten läßt sich durch einfache Umkehrung der Steuerlinie des Pulsbreitenmodulators erreichen: Weist die konventionelle Schaltung eine Kennlinie gemäß Fig. 6 auf, so wird hingegen für die modifizierte Schaltung eine Kennlinie ge mäß Fig. 7 benötigt.

Für den Generatorbetrieb ist genau diese umgekehrte Charakteri stik erforderlich:

Die beschriebene Lösung ist als Schaltbild in Fig. 8 darge stellt.

Ist die Belastung gering, benötigt man ein großes Puls-Pausen verhältnis. Dies ist gleichbedeutend mit einem großen Wandler faktor, das heißt, die gewünschte Ausgangsspannung von 3 Volt wird aus einer möglichst kleinen eingangsseitigen Spannung her aufgewandelt. Der eingangsseitige Strom ist dagegen maximal. Der Generator läuft mit der bei der geforderten Leistung ge ringst möglichen Drehzahl. Fließt gar kein Laststrom, wird der Generator theoretisch ganz kurzgeschlossen und dreht sich nur noch mit seiner "Kurzschlußdrehzahl".

Steigt nun die Belastung, muß das Puls/Pausenverhältnis ver kleinert werden. Dadurch wird der Wandlerfaktor ebenfalls klei ner, die eingangsseitige Spannung erhöht sich. Es wird weiter hin der maximal mögliche Strom wie vorher entnommen, jedoch wird durch die höhere Eingangsspannung wie gewünscht mehr Lei stung übertragen. Der Generator läuft nun auch dementsprechend schneller.

Ebenso wird bei nachlassender Federspannung und damit kleiner werdendem Maximalstrom der Wandlerfaktor verkleinert, so daß sich eingangsseitig eine höhere Spannung einstellt (und der Ge nerator wiederum schneller läuft).

Die Erfindung bezieht sich also auf eine elektronische Anord nung (Schaltung) für einen mechanischen Federspeicher mit Gene rator zur Erzeugung von elektrischem Strom mit welcher die Energieentnahme ohne Zwischenschalten von Batterien, Akkumula toren oder Kondensatoren als Speicher so eingestellte wird, daß daß die gespeicherte mechanische Energie optimal ausgenutzt wird, die Energieabgabe zu jedem Zeitpunkt der an die Energie anforderung des Verbrauchers angepaßt wird und bei Abschalten des elektrischen Verbrauchers die minimal mögliche Arbeit aus dem mechanischen Speicher entnommen wird. Dies wird über eine Steuer- und Regeleinheit erreicht, die einen Sperrwandler mit Regelschleife gesteuert über einen Pulsbreitenmodulator ent hält, der - entgegen der üblichen Betriebsweise - mit einer steigenden U/F-Kennlinie (Puls/Pausenverhältnis direkt propor tional zur Spannung) beschaltet wird.

Alternativ: Die Lösung läßt sich bei gleicher Schaltung auch mit frequenzmoduliertem Wandler erreichen.

Messungen an einer Anordnung entsprechend dem Schaltschema in Fig. 8 erbrachten das gewünschte Ergebnis. Bei voll aufgezoge ner Feder und einem Laststrom zwischen 8 und 10 mA sank die Generatorspannung bis auf 0,6 Volt, die Regelung arbeitete bei richtig gewählter Zeitkonstante und Schleifenverstärkung sta bil.

Dies bedeutet, daß sich die Abwicklungsdrehzahl entsprechend der eingestellten Lautstärke und dem Abwicklungszustand ein stellt. Damit wurde eine Laufzeit von 72 Minuten statt der ur sprünglichen 27,5 Minuten erreicht.

Claims

1. Energiewandler zur Speicherung mechanischer Energie für de ren kontrollierte Umwandlung in elektrische Energie, zum Be treiben elektrischer und elektronischer Geräte, mit einem Spei chermedium zum Aufnehmen mechanischer Arbeit, mit einem elek trischen Generator zur Umwandlung mechanischer Arbeit aus dem mechanischen Speichermedium in elektrische Energie und einer Steuer- und Regeleinheit zur Regelung der Energieabgabe, da durch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit so ausgebildet ist, daß die Umwandlung der gespeicherten mechanischen Arbeit in elektrische Energie unter maximal möglicher Ausnutzung der ge speicherten mechanischen Arbeit erfolgt.

2. Energiewandler nach Anspruch 1, wobei die Steuer- und Regel einheit einen Sperrwandler mit Regelschleife, gesteuert über einen Pulsbreitenmodulator, enthält.

3. Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2. wobei die Steuer- und Regeleinheit einen Sperrwandler mit Regelschleife, gesteu ert über einen Frequenzmodulator, enthält.

4. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Steuereinheit den elektrischen Generator so steuert, daß eine minimal mögliche mechanische Arbeit aus dem mechani schen Energiespeicher entnommen wird, um so die Entladung des mechanischen Energiespeichers möglichst langsam zu gestalten.

5. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Energieabgabe des mechanischen Speicher über den elek trischen Generators zu jedem Zeitpunkt an die Energieanforde rung eines elektrischen Verbrauchers angepaßt wird.

6. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Steuereinheit mit einer steigenden U/F-Kennlinie (Puls/Pausenverhältnis als Funktion der Spannung) arbeitet.

7. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Steuereinheit mit einer Frequenzmodulation arbeitet.

8. Elektronische Steuerschaltung für die Regelung eines elek trischen Generators, der durch einen mechanischen Energiespei cher angetrieben wird, um dadurch eine maximale Ausnutzung der gespeicherten mechanischen Arbeit zu erhalten, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuerschaltung mit einer steigenden U/F- Kennlinie (Puls/Pausenverhältnis als Funktion der Spannung) ar beitet.

9. Elektronische Steuerschaltung nach Anspruch 8, wobei diese einen Sperrwandler umfaßt mit Regelschleife, gesteuert über ei nen Pulsbreitenmodulator, welche mit einer steigenden U/F-Kenn linie (Puls/Pausenverhältnis als Funktion der Spannung)arbei tet.

10. Elektronische Steuerschaltung nach Anspruch 8, wobei diese einen Sperrwandler umfaßt, mit Regelschleife, gesteuert über einen Frequenzmodulator.

11. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zur Energieversorgung eines Radioempfängers.

12. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zur Energieversorgung eines Kassettenrekorders.

13. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zur Energieversorgung eines CD-Spielers.

14. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zur Energieversorgung eines Diktiergerätes.

15. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zur Energieversorgung eines Fernsehgerätes.

16. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zur Energieversorgung eines Mobiltelefons genannt Handy.

17. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zur Energieversorgung eines schnurlosen Telefons genannt Homehandy.

18. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zur Energieversorgung einer Handleuchte mit LucoLED-Lampe (weiß leuchtende LED).

19. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zur Energieversorgung einer Handleuchte mit Gasentladungslampe.

20. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zur Energieversorgung einer Handleuchte mit Energiespar-Lampe.

21. Anwendung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Steuerschaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen 8 bis 10 zum Laden von elektrischen Akkumulatoren auch Batterien genannt.